JPWO2009050876A1 - 短波長光源及び光学装置 - Google Patents

Abstract

ＧａＮ系半導体レーザ１は、単一偏光であり、第１の波長を有する第１のレーザ光を出射し、光共振器３０は、レーザ光の入射により励起され、第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光を発振する固体レーザ媒質を含み、偏光スイッチ６は、第１のレーザ光及び第２のレーザ光の少なくとも一方の偏光方向を切り換えることで、光共振器３０から出射されるレーザ光の波長、又は光共振器３０から出射される複数のレーザ光の強度比を変化させる。この構成により、複数のレーザ光を有効利用することができる。

Description

本発明は、固体レーザ媒質を用いた短波長光源、及び当該短波長光源を利用した光学装置に関するものである。

ＲＧＢ（赤、緑及び青）の３色のレーザ光を出射するレーザ光源を用いたレーザディスプレイ装置が提案されている。レーザ光は、単色性を有し、かつ広い色表現範囲を実現できるため、レーザ光源を用いたレーザディスプレイ装置では、高色彩のカラー表示が可能となる。ＲＧＢの３色のレーザ光により大画面のレーザディスプレイ装置を実現するには、数Ｗのレーザ光を出射するレーザ光源が必要となる。このようなレーザ光源を実現する手段としては、高出力のＡｒレーザ又はＫｒレーザ等のガスレーザが使用されていた。しかし、これらのガスレーザは、エネルギー変換効率が０．１％程度と非常に低いため、冷却装置を含めた大がかりな装置構成を必要とした。

一方、この問題を解決するため、固体レーザによる短波長光の発生が検討されている。ＹＡＧ等の固体レーザによって生成された１．０６４μｍの光を、波長変換素子により第２高調波に波長変換することで高出力の緑色光の発生が可能となった。また、最近では、Ｙｂがドープされたファイバーレーザを用いた高出力の緑色光の発生も報告されている。例えば、非特許文献１では、非線形光学素子としてＬＢＯを用い、６０Ｗの緑色光の発生を実現している。

また、固体レーザより直接発生する緑色光又は青色光を光源に利用する方法も提案されている。例えば、特許文献１に示すように、ＧａＮ系半導体レーザによって出射されたレーザ光により、３価のプラセオジムイオン（Ｐｒ^３＋）をドープしたレーザ媒質を励起することで赤色光及び緑色光を発生し、発生した赤色光及び緑色光をレーザディスプレイに応用する方法が提案されている。

しかしながら、上述したレーザ光源では、レーザディスプレイ装置用の光源に必要な高効率な強度変調が難しいという問題がある。特に、上記の非特許文献１及び特許文献１では、ポンプ光及びレーザ光を共にレーザディスプレイ装置用の光源として効率よく利用する構成については全く考慮されておらず、提案もされていない。
Ａｎｐｉｎｇ Ｌｉｕ、Ｍａｒｃ Ａ． Ｎｏｒｓｅｎ、Ｒｏｙ Ｄ． Ｍｅａｄ、「６０−Ｗ ｇｒｅｅｎ ｏｕｔｐｕｔ ｂｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｉｎｇ ｏｆ ａ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．１、２００５年１月１日、ｐ．６７−６９ 特開２００１−２６４６６２号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、複数のレーザ光を有効利用することができる短波長光源及び光学装置を提供することを目的とするものである。

本発明の一局面に係る短波長光源は、単一偏光であり、第１の波長を有する第１のレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の入射により励起され、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光を発振する固体レーザ媒質を含む光共振器と、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の少なくとも一方の偏光方向を切り換えることで、前記光共振器から出射されるレーザ光の波長、又は前記光共振器から出射される複数のレーザ光の強度比を変化させる偏光スイッチとを備える。

この構成によれば、レーザ光源は、単一偏光であり、第１の波長を有する第１のレーザ光を出射し、光共振器は、レーザ光の入射により励起され、第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光を発振する固体レーザ媒質を含む。そして、偏光スイッチは、第１のレーザ光及び第２のレーザ光の少なくとも一方の偏光方向を切り換えることで、光共振器から出射されるレーザ光の波長、又は光共振器から出射される複数のレーザ光の強度比を変化させる。

本発明によれば、光共振器から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。また、１つの光源から波長の異なる複数のレーザ光を同時に出射することができるので、光学系の構成を簡素化することができる。

本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

本発明の実施の形態１に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の第１の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の第２の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の第３の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の第４の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の第５の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 セラミックＹＡＧを母材とし、Ｐｒをドープした場合と、ＰｒとＨｏとを共ドープした場合との蛍光スペクトルを示す図である。 本発明の実施の形態１の第６の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る短波長光源の構成を示す図である。 ＰｒがドープされたＹＬＦ固体レーザ結晶の蛍光スペクトルを示す図である。 本発明の実施の形態４に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４に係るカラーディスプレイ装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４の変形例に係るカラーディスプレイ装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態５に係るカラーディスプレイ装置の構成を示す図である。

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

なお、以下に説明する各実施の形態は、短波長光が直接発振可能な固体レーザ媒質において、ポンプ光及びレーザ光の利用効率を向上させて、高効率なレーザ光利用システムを構成することを目的とする。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る短波長光源の構成を示す図である。図１に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、レーザ媒質２、多層膜ミラー３，４、偏光スイッチ６及び集光光学系８を備える。光共振器３０は、レーザ媒質２及び多層膜ミラー３，４を含む。

ＧａＮ系半導体レーザ１は、マルチストライプの半導体レーザである。ＧａＮ系半導体レーザ１から出射されるポンプ光７は、直線偏光である。ポンプ光７の波長は４４０ｎｍ近傍である。また、ＧａＮ系半導体レーザ１の出力は５Ｗである。ＧａＮ系半導体レーザ１は、４４０ｎｍ近傍の波長を有するポンプ光７を出射する。集光光学系８は、ＧａＮ系半導体レーザ１から出射されたポンプ光７を集光する。

多層膜ミラー４は、波長４４０ｎｍの光を透過し、波長６４０ｎｍ近傍の光を反射するように設計されている。ＧａＮ系半導体レーザ１から出力されたポンプ光７は、偏光スイッチ６を透過した後、レーザ媒質２に入射する。

レーザ媒質２は、３価のプラセオジムイオン（Ｐｒ^３＋）がドープされている。レーザ媒質２は、多層膜ミラー３，４とともに光共振器を構成し、レーザ媒質２からは、波長６４０ｎｍ近傍の光がレーザ発振されて、出射光５として出力される。多層膜ミラー３，４は、波長６４０ｎｍ近傍の光に関しては高反射特性を有し、波長４４０ｎｍ近傍の光に対しては高透過特性を有する。このため、レーザ媒質２で吸収されなかった光は、外部へ出力される。

レーザ媒質２は、ポンプ光７の入射により励起され、６４０ｎｍ近傍の波長を有するレーザ光を発振する。多層膜ミラー３，４は、レーザ媒質２とともに光共振器を構成し、レーザ媒質２を挟む位置にそれぞれ配置されている。なお、ＧａＮ系半導体レーザ１は、４４０〜４６０ｎｍのポンプ光７を出射し、レーザ媒質２は、６００〜６５０ｎｍの出射光５を出射してもよい。

さらに、レーザ媒質２の吸収特性は偏光依存性を有する。このため、偏光スイッチ６によって、ポンプ光７の偏光方向が調整されることで、レーザ発振の光強度を調整することができる。レーザ媒質２から出力する波長６４０ｎｍ近傍の出射光５と、ポンプ光７との強度比が偏光スイッチ６によって調整することが可能になる。これによって、赤色の光と青色の光とを同時に出力し、かつその強度比を可変できる２波長レーザ光源が実現できる。

偏光スイッチ６は、第１のレーザ光（ポンプ光７）及び第２のレーザ光（出射光５）の少なくとも一方の偏光方向を切り換えることで、光共振器３０から出射されるレーザ光の波長、又は光共振器３０から出射される複数のレーザ光の強度比を変化させる。

すなわち、偏光スイッチ６は、ポンプ光７又は出射光５の偏光方向を変化させることで、光共振器３０から、ポンプ光７及び出射光５のレーザ光のうちのいずれか一方を出射させる、又はポンプ光７と出射光５との強度比を変化させてポンプ光７及び出射光５の両方を出射させる。本実施の形態１では、偏光スイッチ６は、ＧａＮ系半導体レーザ１と、レーザ媒質２の入射側の多層膜ミラー４との間に配置され、ポンプ光７の偏光方向を変化させる。

なお、本実施の形態１において、ＧａＮ系半導体レーザ１がレーザ光源の一例に相当し、４４０ｎｍの波長が第１の波長の一例に相当し、ポンプ光７が第１のレーザ光の一例に相当し、６４０ｎｍの波長が第２の波長の一例に相当し、出射光５が第２のレーザ光の一例に相当し、レーザ媒質２が固体レーザ媒質の一例に相当し、多層膜ミラー３，４が１対のミラーの一例に相当する。

なお、Ｐｒイオンなどの可視光を発生するレーザ媒質２は吸収係数が比較的小さいため、高効率でレーザ光に変換するのが難しい。一方、赤、緑及び青の光を用いるカラーディスプレイ装置などの用途においては、変換されたレーザ光のみならず、ポンプ光も有効に利用することでシステム全体の消費電力を低減できる。

したがって、本実施の形態の短波長光源では、レーザ媒質２でのポンプ光の吸収率が１００％近くでない場合でも、吸収しきれないポンプ光を外部に取り出すことで有効に利用できる。さらに、ポンプ光及びレーザ光がほぼ同軸で出射することで、レーザ光を利用する光学系を単純にすることができるため、システムの小型化及び簡素化にも有効である。

偏光スイッチ６は、電気光学効果や音響光学効果を利用して偏光方向を可変することができる。

このように、ＧａＮ系半導体レーザ１は、単一偏光であり、第１の波長を有する第１のレーザ光（ポンプ光７）を出射し、光共振器３０は、ポンプ光７の入射により励起され、第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光（出射光５）を発振する固体レーザ媒質２を含む。そして、偏光スイッチ６は、第１のレーザ光又は第２のレーザ光の偏光方向を変化させることで、光共振器３０から、第１のレーザ光及び第２のレーザ光のうちのいずれか一方を出射させる、又は第１のレーザ光と第２のレーザ光との強度比を変化させて第１のレーザ光及び第２のレーザ光の両方を出射させる。

したがって、光共振器から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。また、１つの光源から波長の異なる複数のレーザ光を同時に出射することができるので、光学系の構成を簡素化することができる。

また、偏光スイッチ６が、ＧａＮ系半導体レーザ１と、多層膜ミラー３，４のうちのレーザ媒質２の入射側の多層膜ミラー４との間に配置されているので、レーザ媒質２に入射する前に、レーザ光の偏光方向を変化させることができる。

図２は、本発明の実施の形態１の第１の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図２において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

図２に示すように、偏光スイッチ６は、ポンプ光７の光軸に平行な回転軸２０と、回転軸２０に回転可能に取り付けられ、λ／２板２１と光学基板２２とが交互に貼り合わされた円板２３とを備えてもよい。光学基板２２は、透明な基板であり、ポンプ光７をそのまま透過する。一方、λ／２板２１は、透過する光の偏光方向を回転させる。そのため、ポンプ光７がλ／２板２１と光学基板２２とを交互に通過することで、ポンプ光７の偏光方向が切り替わる。

これによって、レーザ媒質２から出力する出射光５とポンプ光７との強度が交互に変化する。λ／２板２１の偏光軸は、円板２３の中心の回転軸２０に対して垂直になるように配置するのが好ましい。λ／２板２１は、偏光軸に垂直な光が入射した場合に直線偏光の光の偏光が９０°回転するように設計されている。偏光軸を回転中心に垂直にすることで、入射する光の偏光に対してλ／２板２１の偏光方向を常に一致させることが可能となる。

なお、本実施の形態１の第１の変形例において、円板２３が波長板の一例に相当する。

図３は、本発明の実施の形態１の第２の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図３において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図１の短波長光源の構成と異なる点は、光共振器を構成する多層膜ミラー３の出力側に反射体９を設置した点である。

図３に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、レーザ媒質２、多層膜ミラー３，４、偏光スイッチ６、集光光学系８及び反射体９を備える。反射体９は、体積グレーティングで構成され、特定波長の光を反射する。反射体９は、光共振器の光出射側に配置され、ポンプ光７を反射させる。反射体９から反射された光は、ＧａＮ系半導体レーザ１の活性層に帰還し、ＧａＮ系半導体レーザ１の発振波長を固定する。レーザ媒質２の吸収スペクトルが狭いため、波長ロック機構によりＧａＮ系半導体レーザ１の発振波長を固定することで、高効率な励起が可能となる。また、周辺の温度変化によってもＧａＮ系半導体レーザ１の発振波長が変化するが、波長ロック機構を備えた本構成では、外部の温度変化に対しても安定な出力動作が実現できる。

図４は、本発明の実施の形態１の第３の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図４において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。実施の形態１の第３の変形例に係る短波長光源では、波長変換されたレーザ光をポンプ光として用いる。

図４に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１０、レーザ媒質２、多層膜ミラー３，４、偏光スイッチ６、集光光学系８及び波長変換素子１１を備える。ＧａＮ系半導体レーザ１０は、波長９６０ｎｍ近傍のポンプ光７を出射する高出力半導体レーザである。波長変換素子１１は、周期状の分極反転構造を有し、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ_３（ＭｇＬＮ）結晶で構成される。波長変換素子１１は、ポンプ光７を高調波に変換する。

ＧａＮ系半導体レーザ１０から出射したポンプ光７は、波長変換素子１１により波長変換されて４８０ｎｍの波長を有するレーザ光になる。プラセオジム（Ｐｒ）がドープされたレーザ結晶（レーザ媒質２）は、４８０ｎｍ近傍に吸収特性を有するため高効率の波長変換ができる。偏光スイッチ６によって、波長変換された光の偏光方向をスイッチングする。これにより、レーザ媒質２からの出射光５である６４０ｎｍ近傍のレーザ光と、ポンプ光７である４８０ｎｍの青緑色光との強度比を変調することができ、２波長出力の強度比を変調することが可能となる。

なお、図４に示す短波長光源では、波長変換素子１１と偏光スイッチ６とを別体で構成しているが、本発明は特にこれに限定されない。ＭｇＬＮ結晶に電極を形成し、形成した電極に電圧を印加することにより、入射した光の偏光方向を回転させることが可能であるため、波長変換素子１１と偏光スイッチ６とを一体に構成してもよい。波長変換素子と偏光スイッチとを一体化する構成により小型化が図れる。

また、実施の形態１の第３の変形例の短波長光源では、ＧａＮ系半導体レーザ１と偏光スイッチ６との間に波長変換素子１１を配置しているが、本発明では特にこれに限定されず、多層膜ミラー３の出射側に波長変換素子１１を配置してもよい。この場合、波長変換素子１１は、偏光スイッチ６による偏光方向の切り換えにより、ポンプ光７又は出射光５を高調波に変換する。

次に、レーザ媒質の吸収係数をより大きくして、レーザ光の発生効率を向上させる本実施の形態１の第４の変形例について説明する。

図５は、本発明の実施の形態１の第４の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図５において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。実施の形態１の第４の変形例に係る短波長光源の構成は、図１の構成の多層膜ミラー３に換えて、偏光特性を有する多層膜ミラー１３を備えることを特徴とする。

図５に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、レーザ媒質２、多層膜ミラー４、偏光スイッチ６、集光光学系８及び多層膜ミラー１３を備える。光共振器３０は、レーザ媒質２及び多層膜ミラー４，１３を含む。ＧａＮ系半導体レーザ１から出力した４４０ｎｍ近傍の波長を有するポンプ光７は、多層膜ミラー４を通過してレーザ媒質２で吸収される。

レーザ媒質のＣ軸と平行な偏光方向を有するπ偏光は、レーザ媒質２における吸収係数が大きい。そのため、π偏光の場合にポンプ光７は効率良くレーザ媒質２に吸収される。一方、π偏光と垂直な偏光方向を有するσ偏光の場合、レーザ媒質２の吸収係数は大幅に低下してレーザ発振の光も小さくなる。本実施の形態１の第４の変形例では、偏光特性を有する多層膜ミラー１３を備えることで、レーザ媒質２の発振効率をより高めることを可能にする。

多層膜ミラー１３は、レーザ媒質２を透過したπ偏光の光を反射し、σ偏光の光を透過するような偏光依存性を有している。この結果、π偏光のポンプ光７は、多層膜ミラー１３で反射され、反射光１２は、再びレーザ媒質２で吸収されるため、吸収率が増大し、レーザ光への変換効率が増大する。一方、σ偏光のポンプ光７は、レーザ媒質２の吸収も小さく、多層膜ミラー１３も透過するため、ポンプ光７を有効に取り出すことが可能となる。この結果、偏光スイッチ６によって切り換えられるポンプ光７と出射光５との消光比が大幅に増大すると共に、ポンプ光７から出射光５への変換効率が飛躍的に増大する。

なお、実施の形態１の第４の変形例では、出射側の多層膜ミラー１３が偏光依存性を有しているが、本発明は特にこれに限定されず、入射側の多層膜ミラー４が偏光依存性を有してもよく、また、入射側の多層膜ミラー４と出射側の多層膜ミラー１３との両方が偏光依存性を有してもよい。この場合、多層膜ミラー４，１３の少なくとも一方が偏光依存性を有しているので、レーザ媒質２におけるポンプ光７の吸収効率及び多層膜ミラー４，１３におけるポンプ光７の透過効率を向上させ、複数のレーザ光を有効利用することができる。

レーザ媒質２としては、ＬｉＹＦ_４結晶及びＬｉＬｕＦ_４結晶などが用いられる。これらのレーザ結晶においては、レーザ結晶のＣ軸と平行な偏光方向を有するπ偏光で励起した場合にポンプ光７の吸収効率が大きくなる。このため、励起光の偏光方向により励起効率を制御することができる。また、吸収係数が小さな偏光で励起すれば、ポンプ光７の吸収効率が大きく低下するため、吸収されないポンプ光７を外部に採りだして、利用することが可能となる。

特に、ＬｉＬｕＦ_４結晶は、ポンプ光７の偏光依存性が強いため、効率よくポンプ光７と出射光５との強度変調が可能である。Ｐｒ^３＋がドープされたＬｉＬｕＦ_４結晶の場合、波長４４５ｎｍのポンプ光７に対するπ偏光の吸収係数は５ｃｍ^−１程度であり、σ偏光の吸収係数は０．８ｃｍ^−１程度であり、波長４８０ｎｍのポンプ光７に対するπ偏光の吸収係数は１３ｃｍ^−１程度であり、σ偏光の吸収係数は０．１ｃｍ^−１以下である。

レーザ媒質２は、Ｐｒイオンが添加されたＬｉＹＦ_４結晶又はＬｉＬｕＦ_４結晶で構成されてもよい。Ｐｒイオンが添加されたＬｉＹＦ_４結晶又はＬｉＬｕＦ_４結晶は、レーザ結晶のＣ軸と平行な偏光方向を有するπ偏光で励起した場合に吸収効率が大きくなるので、励起光の偏光方向に応じて励起効率を制御することができる。

このように、ポンプ光７の偏光方向によってレーザ媒質２の吸収係数が大きく異なるため、偏光スイッチ６によってポンプ光７を素通りさせたり、レーザ光（出射光５）に変換したりすることが可能となり、レーザ光源として出力光の波長を切り替えたり、出力光の強度比を調整したりことが可能となる。

さらに、光共振器内部で波長変換を行う本実施の形態１の第５の変形例について図６を用いて説明する。

図６は、本発明の実施の形態１の第５の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図６において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図６に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、レーザ媒質２、多層膜ミラー３，４、偏光スイッチ６、集光光学系８及び非線形光学結晶１４を備える。

図６において、光共振器内部に非線形光学結晶１４が挿入される。波長変換素子（非線形光学結晶１４）は、レーザ媒質２の出力を第２高調波１５に変換する。ここで、基本波（ポンプ光７）の波長は４４０ｎｍであり、レーザ媒質２の発振波長は６４０ｎｍであり、第２高調波１５の波長は３２０ｎｍである。レーザ媒質２と多層膜ミラー３との間に非線形光学結晶１４を挿入することで３波長の発振が可能となる。

さらに、偏光スイッチ６によってポンプ光７の偏光を制御することで、ポンプ光７と第２高調波１５と出射光５との強度比を制御することが可能となる。非線形光学結晶１４としては、ＬＢＯ又はＢＢＯ等が用いられるが、周期状の分極反転構造を有するＬｉＴａＯ_３（ＬＴ）又はＭｇＯがドープされたＬｉＴａＯ_３（ＭｇＬＴ）も有効である。ＬＴ及びＭｇＬＴは、高い非線形定数を有し、吸収端の波長も２８０ｎｍと短いため、紫外光を高効率で波長変換できる。さらに、大型結晶の育成が可能であるため、低コスト化が可能である。

また、非線形光学結晶１４について、波長４００ｎｍ以下の光が照射されると可視光が吸収されるという現象が見つかった。可視光の吸収を防止する方法として、ＭｇがドープされたＬＴを非線形光学結晶１４にもちいることが有効である。Ｍｇのドープ量を７ｍｏｌ％以下にして、結晶の温度を５０℃以上にすると可視光の吸収が大幅に低減されるため、安定した紫外光出力が得られるようになった。短波長光源の構成としては、レーザ媒質２と非線形光学結晶１４とを含む光共振器を５０℃以上の温度で安定させて使用することで、１００ｍＷを超える高出力の紫外光を安定に出力できる。

なお、本実施の形態の構成において、多層膜ミラー３の代わりに、体積グレーティングミラーを用いてもよい。体積グレーティングミラーは、特定の波長に反射特性を有する。そのため、レーザ媒質２の発振波長である６４０ｎｍ近傍の波長に反射特性を有する体積グレーティングミラーを用いることでポンプ光７を透過させることができる。さらに、体積グレーティングミラーは、波形のグレーティング構造にすることで偏光特性を持たせることができる。このため、図６に示したように、多層膜ミラー３の代わりに、体積グレーティングミラーを用いた場合、偏光によりポンプ光７を反射する構成が容易に実現できるという利点を有する。

また、レーザの発振ゲインの存在する波長領域にブロードな反射特性を有する反射体を用いれば、レーザの発振スペクトルが拡がり、スペックルノイズの低減が可能となる。体積グレーティングミラーのもう一つの特徴は複数の波長に反射特性を有する設計が可能な点である。Ｐｒがドープされたレーザ媒質２は、６４０ｎｍ以外に５３０ｎｍ近傍にも発振線を有する。このため、体積グレーティングミラーが６４０ｎｍ及び５３０ｎｍの両方の波長に対して反射特性を有している場合、短波長光源はＲＧＢの３色を同時に発生する３波長光源となる。

偏光特性を持った体積グレーティングミラーは、２次元フォトニック結晶構造を設けることで実現できる。具体的には、周期的な凹凸構造を設けたガラス基板上に、２種類の無機材料を自己クローニング法によって交互に積層していくことで、ガラス基板の周期構造と同じ周期の周期構造を、積層する層の表面に設けることができる。これによって、２次元フォトニック結晶構造を設けることが可能になり、偏光特性を有する体積グレーティングミラーを作成することができる。

レーザ光源を表示装置に利用する場合に、スペックルノイズにより画質が劣化する問題がある。スペックルノイズを防止する方法として、レーザ光の発振スペクトルを拡大することでレーザ光のコヒーレンスを低減する方法が有効である。発振スペクトルを拡大する方法として、ポンプレーザ光をパルス変調する方法や、光共振器内部に過飽和吸収体を挿入してレーザ光をパルス発振させる方法がある。本実施の形態の構成においてもこれらの方法を導入することは可能である。

さらに、本実施の形態の構成においては、偏光スイッチ６の変調によってもレーザ光をパルス発振させて、発振スペクトルを拡大することが可能となる。偏光スイッチ６としては、電気光学（ＥＯ）スイッチ又は音響光学（ＡＯ）スイッチのような高速に切り換え可能なスイッチが必要となるが、変調速度を数ｋＨｚ以上の変調速度で偏光方向をスイッチングすると、レーザ媒質内部の吸収率が時間的に変化するため、レーザ光の発振状態が変化して発振スペクトルが拡大する。これによって、レーザ光のコヒーレンスが劣化してスペックルノイズを低減でき、高画質な画像表示が可能となる。

また、Ｐｒがドープされたレーザ媒質２は、媒質によって発振波長が異なるが、６００〜６６０ｎｍの赤色光の波長域と、５１５〜５５５ｎｍの緑色光の波長域との発振波長を有する。これを利用することで、レーザディスプレイ光源が実現できる。さらに、ディスプレイの色再現性を考慮すると、緑色光の波長は５２０〜５４０ｎｍが好ましく、赤色光の波長は６２０〜６４０ｎｍが好ましい。

また、Ｐｒ^３＋がドープされたレーザ媒質２に他の物質を共ドープすることで、縦モードのマルチ化を促進できる。図７は、セラミックＹＡＧを母材とし、Ｐｒをドープした場合と、Ｐｒとホルミウム（Ｈｏ）とを共ドープした場合との蛍光スペクトルを示す図である。図７において、横軸は波長を表し、縦軸は相対強度を表す。また、図７の破線は、Ｐｒのみをドープした場合の蛍光スペクトルを表し、実線は、ＰｒとＨｏとをドープした場合の蛍光スペクトルを表す。図７に示すように、ＰｒとＨｏとを共ドープすることで、レーザ媒質２は、５００ｎｍ近傍から６５０ｎｍ程度までの非常に広い範囲で強い蛍光特性を有し、レーザ発振が可能となる。

これによって、発振スペクトルの高効率化と広帯域化とが可能となる。本実施の形態の複数の波長の光を出射することが可能なレーザ媒質２を用いることで、低コヒーレンスの光源が高効率に実現できるため、小型化及び高出力化に有効である。Ｐｒのドープ量としては１〜３ａｔ％程度の範囲が有効であり、Ｈｏのドープ量も１〜３ａｔ％程度の範囲が有効であった。

なお、母材としては、ＹＡＧ以外に、ＹＬＦ（ＬｉＹＦ_４）、ＹＶＯ_４及びガラス等も有効である。また、母材としては結晶構造も有効であるが、セラミック材料として利用する方法もある。セラミック材料はＰｒ及びＨｏ等のドープ量の増大が可能であり、作製も容易なことから、高効率化及び低コスト化に有効である。

また、本実施の形態１におけるレーザ媒質２は、母材にＰｒとＨｏとをドープさせているが、本発明は特にこれに限定されず、Ｈｏ以外に、イッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）又はクロム（Ｃｒ）等の材料をＰｒと共にドープさせてもよい。Ｙｂ、Ｎｄ、Ｅｒ又はＣｒと、Ｐｒとを母材にドープした場合でも、レーザ媒質２の吸収係数が増大し、励起効率が向上するので、高効率化に有効である。

なお、本実施の形態１の構成では、Ｐｒ^３＋がドープされたレーザ媒質２を用いたが、その他、３価のユウロピウムイオン（Ｅｕ^３＋）、３価のサマリウムイオン（Ｓｍ^３＋）、３価のセリウムイオン（Ｃｅ^３＋）、３価のツリウムイオン（Ｔｍ^３＋）、３価のテルビウムイオン（Ｔｂ^３＋）又は２価のユウロピウムイオン（Ｅｕ^２＋）のうちの少なくとも１つをドープさせた固体レーザ結晶も有効である。

例えば、Ｅｕ^３＋がドープされたレーザ媒質２は、波長４００ｎｍ近傍のポンプ光によるｆ−ｆ吸収を使用し、５Ｄ０→７Ｆ２の遷移により波長６１５ｎｍ近傍の赤色光が得られる。また、Ｓｍ^３＋を用いても同様の赤色領域の発振が可能である。波長４００ｎｍ近傍のポンプ光は、ＩｎＧａＮ系半導体レーザにおけるＩｎの量が最適となるため、高出力耐性の優れた信頼性の高い半導体レーザをポンプ光源として利用できるという利点を有する。

さらに、本実施の形態１の短波長光源を用いることで、赤色半導体レーザにおいて生じる高温での効率劣化及び高出力での特性劣化などの問題がなく、温度による波長変動が少ないため表示装置用光源として極めて優れた特性を有する。また、Ｃｅ^３＋、Ｅｕ^２＋又はＴｍ^３＋を用いた場合、波長４５０ｎｍ近傍の青色光の発生が可能であり、Ｔｂ^３＋を用いた場合、波長５４３ｎｍ近傍の緑色光の発生が可能である。

これらのイオンを単独、又は複数共ドープすることで、発振波長を制御し、波長の異なる複数の光を同時に発生することが可能となる。その結果、発振スペクトルのマルチモード化が強くなり、スペックルノイズの低減効果が大きくなる。また、波長の異なる複数の光を出力することにより、表示装置において表示できる色範囲が大きく広がるという利点も有する。また、複数のイオンを共ドープすることで、イオン間のエネルギー転送による発光効率の向上が図れるという利点も有する。

なお、本実施の形態１ではレーザ媒質２の発振波長を６４０ｎｍ近傍の場合について説明したが、その他、波長５３０ｎｍ近傍の発振も可能である。緑色レーザ光は固体レーザ媒質での直接発振が難しいので、応用範囲が広く有用である。

なお、本実施の形態１の構成では単一のレーザ媒質２を備える場合について述べたが、複数のレーザ媒質又は複数のイオンドープも有効である。複数のレーザ媒質を光共振器内部に挿入すると、異なる波長での発振が可能となる。

ここで、同一の光共振器の内部に３つのレーザ媒質を挿入する本実施の形態１の第６の変形例について説明する。図８は、本発明の実施の形態１の第６の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図８において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

図８に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、多層膜ミラー３，４、偏光スイッチ６、集光光学系８、第１のレーザ媒質１６、第２のレーザ媒質１７及び第３のレーザ媒質１８を備える。光共振器３０は、第１のレーザ媒質１６、第２のレーザ媒質１７、第３のレーザ媒質１８及び多層膜ミラー３，４を含む。

実施の形態１の第６の変形例に係る短波長光源は、多層膜ミラー３，４間に第１のレーザ媒質１６、第２のレーザ媒質１７及び第３のレーザ媒質１８を備える。第１のレーザ媒質１６は、Ｔｂ^３＋をドープした固体レーザ結晶で構成され、５４３ｎｍの波長を有するレーザ光を発生させる。第２のレーザ媒質１７は、Ｐｒ^３＋をドープした固体レーザ結晶で構成され、６３０ｎｍの波長を有するレーザ光を発生させる。第３のレーザ媒質１８は、Ｅｕ^２＋をドープした固体レーザ結晶で構成され、４５０ｎｍの波長を有するレーザ光を発生させる。この短波長光源を表示装置に用いることにより、ＲＧＢ画像が表示される。この場合、光共振器を構成する多層膜ミラー３，４は各波長のすべての光を反射する構成となっている。

なお、Ｐｒ^３＋をドープした場合、４９０ｎｍの波長を有するレーザ光を発生させることも可能であるため、上記の３色画像に加えて４色画像を表示することもできる。これにより表示装置の色再現範囲はさらに１．３倍程度広がることになる。

これによって、組成の異なる複数のレーザ媒質によって複数の波長のレーザ光を出射させることが可能となり、色再現範囲を向上させることができる。また、赤、緑及び青の３色のレーザ光の発振や、４色のレーザ光の発振が可能となり、表示装置用の光源として応用が広がる。

（実施の形態２）
ここでは、本発明の実施の形態２の構成であるドープファイバー（ダブルクラッドファイバー）を用いた短波長光源について説明する。図９は、本発明の実施の形態２に係る短波長光源の構成を示す図である。

図９に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ３１、Ｐｒ^３＋をドープした固体レーザ結晶をコア部にしたダブルクラッドファイバー３２、グレーティングファイバー３３、偏光スイッチ３４及び反射ミラー３５を備える。

ＧａＮ系半導体レーザ３１は、４４０ｎｍ近傍の波長を有するポンプ光を出射する。ＧａＮ系半導体レーザ３１から出射された波長４４０ｎｍ近傍の光は、偏光スイッチ３４及び反射ミラー３５を透過して、ダブルクラッドファイバー３２内に導かれる。励起光は、ダブルクラッドファイバー３２のコア部にドープしたＰｒイオンに吸収される。その結果、ダブルクラッドファイバー３２から、波長５３０ｎｍ近傍の緑色光が発生する。

光共振器３０は、ダブルクラッドファイバー３２と、ダブルクラッドファイバー３２の入射端面に付加した反射ミラー３５と、ダブルクラッドファイバー３２の出射端面に付加したグレーティングファイバー３３とで構成される。

偏光スイッチ３４によって励起光の偏光方向をスイッチングするとダブルクラッドファイバー３２での吸収率が変化し、出力する緑色光と青色光との割合が変化する。この場合、ダブルクラッドファイバー３２は曲げを少なくして直線で設置することが望ましい。ファイバーを強い曲率で曲げるとファイバーを伝搬するポンプ光の偏光がファイバー内部で変化する。これを防止するため、ファイバーの曲率を大きくする構成、又はファイバーを直線状に設置する構成が望ましい。また、ファイバー型の偏光スイッチ３４を用いれば、全体がコンパクトな構成になり、結合損失を低減できる。

さらに、ダブルクラッドファイバー３２は複数のコア部を有することで高出力化が可能となる。ファイバーの高出力化はファイバー内でのパワー密度により制限される。特に可視光域のファイバーレーザは赤外光域のファイバーレーザに比べてパワー密度の向上が難しいため、高出力化にはコア径を大きくしてパワー密度を低減する必要がある。しかしながら、ファイバー径が大きくなりすぎると、マルチモード化が激しくなって、多くの横モードが同一ファイバー内に伝搬することになる。このような状態では、励起エネルギーが多くの横モードに分散して発振効率が低下するとともに、グレーティングファイバー３３における高い反射率での反射が難しくなり、レーザ発振自体が困難になる。

この問題を解決するのが複数のコア部である。通常のファイバーレーザでは、複数のコア部を有すると出力モードの品質が低下して集光特性が劣化するが、ディスプレイ用途ではモード品質の劣化は問題ない。このため、各コア部でのパワー密度を低下させ、各コア部から出力する光を集めることで、高出力化が可能となる。

さらに、複数のコア部を有することで高効率化が可能となる。高効率なファイバーレーザには、クラッド部を伝搬する青色光の吸収効率の向上が有効である。ダブルクラッドファイバー３２に複数のコア部を設けることで、クラッド部に対するコア部の断面積の占める割合が大きくなるため、クラッド光の吸収係数を数倍に大きくできる。さらに、クラッドを伝搬する光に対して、複数のコア部を設けることで、ダブルクラッドファイバー３２の断面におけるコア部の配置を中心対象からずらした配置が可能となり、複数のコア部を非対称に配置できる。

ファイバーのコア部が中心対象になると、コア部を避けてクラッドを伝搬する光の軸対象モードが存在し、これがクラッドでの吸収を低下させる。しかしながら、複数のクラッドを有することで非対称のコア部の配置が容易になり、クラッドを伝搬する光の吸収効率を増大させることができる。これによって、ダブルクラッドファイバー３２の発振効率を向上させることができる。

また、複数のコア部のそれぞれの材質又はドープ材料を変えることで、複数のコア部から異なる波長の光を発生させることが可能となる。発振波長が異なることで、発振スペクトルが拡大し、スペックルノイズが低減できる。また、複数のコア部から異なる波長の光を出射することで、多色光源が実現できる。この場合にも、ポンプ光とレーザ発振の光とを偏光によって変調することで、ポンプ光を有効に利用してレーザ光の利用効率を向上できる。

なお、本実施の形態２では、ダブルクラッドファイバー３２のコア部は、Ｐｒ^３＋をドープした固体レーザ結晶で構成されるが、本発明は特にこれに限定されず、ダブルクラッドファイバー３２のコア部は、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加されている固体レーザ結晶であればよい。

このように、コア部に、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加されている固体レーザ結晶を含むダブルクラッドファイバー３２が用いられるので、ダブルクラッドファイバー３２において所望の波長のレーザ光を生成することができる。

なお、本実施の形態２ではレーザ媒質としてドープファイバー（ダブルクラッドファイバー３２）を用いたが、図１０に示す光導波路を用いた導波路レーザでも同様の構成が実現できる。

図１０は、本発明の実施の形態２の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。図１０に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ４１、偏光スイッチ４２、レーザ媒質４３及び基板４４を備える。

レーザ媒質４３は、Ｐｒをドープした固体レーザ結晶で構成され、直接接合により基板４４上に張り付けられる。レーザ媒質４３と基板４４との間にはギャップ部４５が形成されており、ギャップ部４５によってレーザ媒質４３と基板４４とは光学的に分離されている。レーザ媒質４３をリッジ状に加工することでリッジ導波路４６が構成される。

リッジ導波路４６にＧａＮ系半導体レーザ４１からの入射光４７が入射されると、レーザ媒質４３が励起され、５３０ｎｍ近傍の緑色光が発生する。リッジ導波路４６の入射部４８と出射部４９とには反射多層膜が形成されており、入射部４８と出射部４９とによって、レーザ光が発振される。すなわち、光共振器は、レーザ媒質４３、入射部４８及び出射部４９を含む。

リッジ導波路４６（レーザ媒質４３）の材料としては、ＰｒをドープしたＹＧＡ結晶、ＹＬＦ結晶又はセラミック材料等を用いることができる。なお、リッジ導波路４６の出射部４９の近傍にはグレーティング５１が形成されている。

偏光スイッチ４２は、ＧａＮ系半導体レーザ４１からの入射光４７の偏光方向を調整することで、出射光５０と入射光４７との強度を変調する。

また、図１０の短波長光源では、偏光スイッチ４２とリッジ導波路４６とを別体で構成しているが、本発明は特にこれに限定されない。偏光スイッチ４２は、リッジ導波路４６に集積化してもよく、これにより、小型化が図れる。

このように、リッジ導波路４６を用いることで偏光方向に依存せずに導波が可能であるため、２波長出力を同一の光導波路から出射することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る短波長光源について説明する。図１１は、本発明の実施の形態３に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図１１において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図１１に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、多層膜ミラー４、集光光学系８、レーザ媒質２及び偏光スイッチ１９を備える。光共振器３０は、レーザ媒質２、多層膜ミラー４及び偏光スイッチ１９を含む。

図１に示す短波長光源では、偏光スイッチ６が集光光学系８と多層膜ミラー４との間に配置されている。これに対し、図１１に示す短波長光源では、偏光スイッチ１９は、レーザ媒質２の出射側に配置され、偏光方向を切り換える機能と、多層膜ミラー３の機能とを有している。すなわち、偏光スイッチ１９は、レーザ媒質２の出射側に配置され、レーザ媒質２と多層膜ミラー４とともに光共振器を構成する。

レーザ媒質２は、ＰｒがドープされたＹＬＦ固体レーザ結晶で構成される。図１２は、ＰｒがドープされたＹＬＦ固体レーザ結晶の蛍光スペクトルを示す図である。図１２において、横軸は波長を表し、縦軸は相対強度を表す。また、図１２の破線は、ＰｒがドープされたＹＬＦ固体レーザ結晶を透過する光がπ偏光である場合の蛍光スペクトルを表し、実線は、ＰｒがドープされたＹＬＦ固体レーザ結晶を透過する光がσ偏光である場合の蛍光スペクトルを表す。

図１２に示すように、σ偏光は、波長６３９ｎｍのとき相対強度が最大となり、π偏光は、波長６０４ｎｍのとき相対強度が最大となる。レーザ媒質２は、偏光方向に応じて異なる波長のレーザ光を発振する。ＧａＮ系半導体レーザ１は、σ偏光のポンプ光７を出射する。レーザ媒質２は、当初σ偏光で発振する構成としているため、波長６３９ｎｍで発振し、光共振器３０からは波長６３９ｎｍのレーザ光５’が出射される。続いて、偏光スイッチ１９は、偏光方向を９０度回転させることにより、反射光をσ偏光からπ偏光に切り換える。これにより、レーザ媒質２は、π偏光での発振となり、波長６０４ｎｍで発振し、光共振器３０からは波長６０４ｎｍのレーザ光５”が出射される。

このように、レーザ媒質２はπ偏光とσ偏光とで蛍光スペクトルが異なる。そのため、偏光スイッチ１９が波長６０４ｎｍのレーザ光５”と波長６３９ｎｍのレーザ光５’とを反射するように構成し、偏光スイッチ１９によって編者光の偏光方向を切り換えることで、発振する波長を選択することができる。

図１１に示す短波長光源をカラーディスプレイ装置に適用した場合、表示画像の色合いを自由に変更することが可能となる。例えば、６０４ｎｍの波長を有する赤色光は視感度が高い。そのため、６０４ｎｍの波長を有する赤色光は、６３９ｎｍの波長を有する赤色光の３分の１の光出力でよい。結果的に、６０４ｎｍの波長を有する赤色光を出射させる場合、赤色光源の駆動電力を３分の１にすることができる。一方、６３９ｎｍの波長を有する赤色光を出射させる場合、色再現範囲が広くなり、赤色を綺麗に表示することができる。このように、６０４ｎｍの波長を有する赤色光と６３９ｎｍの波長を有する赤色光とを切り換えることにより、カラーディスプレイ装置における省エネモードと色優先モードとの切り換えが可能となる。

このように、偏光スイッチ１９は、レーザ媒質２の出射側に配置され、レーザ媒質２と、レーザ媒質２の入射側に配置された多層膜ミラー４とともに光共振器を構成する。そして、レーザ媒質２は、偏光方向に応じて異なる波長のレーザ光を発振する。したがって、光共振器から波長の異なる光を出射させることができる。

（実施の形態４）
ここでは、短波長光源の利用方法について説明する。上述の実施の形態１〜３の短波長光源は複数の可視光を出射することが可能であり、かつ複数の可視光の強度比を可変することができる。しかしながら、出射光５にポンプ光７が混入するため色純度が劣化するという問題がある。例えば、純赤色の光を出力したい場合に、青色のポンプ光が混入してしまい、色純度が劣化するといった問題である。色純度の劣化を防止する方法として、図１３に示すように、短波長光源は、出力側に波長分離ミラー２４を備える。

図１３は、本発明の実施の形態４に係る短波長光源の構成を示す図である。図１３において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図１３に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、レーザ媒質２、多層膜ミラー３，４、偏光スイッチ６、集光光学系８、波長分離ミラー２４及び反射ミラー２５を備える。

波長分離ミラー２４は、ＧａＮ系半導体レーザ１から出射されたポンプ光７及びレーザ媒質２によって発振された出射光５のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる。本実施の形態４における波長分離ミラー２４は、ポンプ光７を反射させ、出射光５を透過させる。なお、実施の形態４において、波長分離ミラー２４が波長分離素子の一例に相当する。

反射ミラー２５は、波長分離ミラー２４によって反射されたポンプ光７又は出射光５を反射させ、出射する光の方向を揃える。本実施の形態４における反射ミラー２５は、波長分離ミラー２４によって反射されたポンプ光７を反射させる。

このように、波長分離ミラー２４によってポンプ光７と出射光５とが分離されるので、色純度の高い光源が実現できる。

また、図５のように、多層膜ミラー１３が偏光特性を有する場合、ポンプ光７と出射光５とは互いに異なる偏光方向で出射する。このため、２つの波長の光は、偏光方向に応じて光を分離する偏光分離ミラーでも分離できる。

図１４は、本発明の実施の形態４の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。図１４において、図５に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図１４に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、レーザ媒質２、多層膜ミラー４、偏光スイッチ６、集光光学系８、多層膜ミラー１３、偏光分離ミラー２６及び反射ミラー２７を備える。

レーザ媒質２は、レーザ媒質のＣ軸と平行な偏光方向を有するπ偏光のポンプ光７を吸収するとともに、π偏光に垂直な偏光方向を有するσ偏光のポンプ光７を透過させる。多層膜ミラー１３は、π偏光のポンプ光７を反射させるとともに、σ偏光のポンプ光７及びπ偏光の出射光５を透過させる。

偏光分離ミラー２６は、π偏光の出射光５及びσ偏光のポンプ光７のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる。本実施の形態４の変形例における偏光分離ミラー２６は、ポンプ光７を反射させ、出射光５を透過させる。なお、実施の形態４の変形例において、偏光分離ミラー２６が偏光分離素子の一例に相当する。

反射ミラー２７は、偏光分離ミラー２６によって反射されたポンプ光７又は出射光５を反射させ、出射する光の方向を揃える。本実施の形態４の変形例における反射ミラー２７は、偏光分離ミラー２６によって反射されたポンプ光７を反射させる。

また、図１４に示す短波長光源の場合、偏光分離ミラー２６によって互いに波長の異なるポンプ光７と出射光５とをほぼ完全に分離できる。このため、偏光スイッチ６によって偏光方向を変えることで出射する光の色を連続的に可変でき、かつ可変範囲を拡大できる。

また、ＲＧＢ光源を用いてカラーディスプレイ装置を構成する場合、図１３に示す短波長光源と図１４に示す短波長光源とでは構成が異なる。図１３に示す短波長光源は、図１５に示すカラーディスプレイ装置に適用される。

図１５は、本発明の実施の形態４に係るカラーディスプレイ装置の構成を示す図である。図１５に示すカラーディスプレイ装置は、短波長光源６１、波長分離プリズム６２、合波プリズム６３、反射ミラー６４、液晶パネル６５及び投射レンズ６７を備える。

短波長光源６１は、実施の形態１〜４のいずれかの短波長光源で構成される。図１５において、短波長光源６１から出射した光は、波長分離プリズム６２によって赤、緑及び青の光に分離される。分離された３つの光のうちの１つは、波長分離プリズム６２を透過して、液晶パネル６５に入射し、残りの２つは、反射ミラー６４によってそれぞれ反射され、液晶パネル６５に入射する。液晶パネル６５を通った３つの光は、合波プリズム６３により画像合成され、投射レンズ６７によってスクリーン６６に投射される。短波長光源６１からは、少なくとも２色の光が同時に出射しているため、３つの液晶パネル６５にそれぞれの光を入射させ、同時に出射した光の像を合成することで、カラー画像を表示する。

なお、実施の形態４において、カラーディスプレイ装置が光学装置の一例に相当し、波長分離プリズム６２、合波プリズム６３、反射ミラー６４、液晶パネル６５及び投射レンズ６７が光学系の一例に相当する。

さらに、短波長光源６１の偏光スイッチによって色強度比を変えることで、表示画面の色に合わせて強度比を変調できる。通常のランプの場合、出力強度、及び赤、緑及び青の各光の強度比を変えることは難しい。これに対して、本実施の形態４の構成では、映像に合わせて短波長光源の出力強度、及び各光の強度比を変えることができるので、光源の消費電力を低減できる。

青色光と赤色光とを出射する短波長光源を本実施の形態４のカラーディスプレイ装置で使用し、白色光を表示する場合、赤色光と青色光との強度比は２：１程度になる。量子効率を考慮すると赤色光と青色光とを２：１の強度比で出力するためには、レーザ媒質における青色光の吸収率は略７５％が望ましい。青色光の略７５％が吸収されて赤色光に変換されると、赤色光と青色光との出力パワー比は２：１となる。この出力パワー比を中心に赤色光と青色光との出力強度比を調整することができる。

このように、レーザ媒質の吸収率は、波長に応じて異なっており、偏光方向を切り換えることによってレーザ光の吸収量が変化するので、４４０〜４６０ｎｍの波長を有する青色レーザ光と、６００〜６５０ｎｍの波長を有する赤色レーザ光との強度比を変調することができる。

なお、短波長光源が２波長光源の場合、短波長光源からの３原色のうちの２色の光と、別の光源からの残りの色の光とを合波する必要がある。つまり、短波長光源６１が青色光及び赤色光を出射する場合、カラーディスプレイ装置は、短波長光源６１の他に、緑色光を出射する光源を備える必要がある。

さらに、図１４に示す短波長光源は、図１６に示すカラーディスプレイ装置に適用される。図１６に示すカラーディスプレイ装置では、単板式の液晶パネルによって赤、緑及び青の光を時間的にずらして出射し、これらの光を重ね合わせてカラー画像を表示する。

図１６は、本発明の実施の形態４の変形例に係るカラーディスプレイ装置の構成を示す図である。図１６において、図１５に示すカラーディスプレイ装置と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図１６に示すカラーディスプレイ装置は、短波長光源６１、液晶パネル６５及び投射レンズ６７を備える。

なお、実施の形態４の変形例において、液晶パネル６５及び投射レンズ６７が光学系の一例に相当する。

図１６においては、短波長光源６１から出射した複数の光は、液晶パネル６５を通った後、投射レンズ６７によってスクリーン６６に投影される。赤、緑及び青の光と映像とを時間的に切り替えて投影することでフルカラー映像が表示できる。この場合、偏光スイッチによって、２波長の光を時間的に切り替えることで、カラー画像を表示することが可能となる。

なお、短波長光源が２波長光源の場合、短波長光源からの３原色のうちの２色の光と、別の光源からの残りの色の光とを合波する必要がある。つまり、短波長光源６１が青色光及び赤色光を出射する場合、カラーディスプレイ装置は、短波長光源６１の他に、緑色光を出射する光源を備える必要がある。

本実施の形態の構成では、ポンプ光を有効に利用することで、青色光源を別に設ける必要が無くなり、低コスト化に有利である。さらに、多波長光源であるため、光学構成が簡素化できる。また、ポンプ光である青色光を有効に利用することで全体の消費電力を低減できる。

このように、短波長光源６１から、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つが出射され、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光がスクリーン又は照射体に照射される。したがって、短波長光源６１から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。

（実施の形態５）
実施の形態４では、液晶パネル６５にレーザ光を照射する構成を示したが、同様の構成で液晶バックライトの面状光源としても利用できる。短波長光源を面状光源として利用する場合、光が導波する導光板にレーザ光を入射させ、導光板の表面から光を散乱させる。導光板を用いる場合、導光板におけるレーザ光の偏光を維持することで、液晶パネルでの利用効率を上げることができる。

図１７は、本発明の実施の形態５に係るカラーディスプレイ装置の構成を示す図である。図１７に示すカラーディスプレイ装置は、液晶パネル７１と、液晶パネル７１を背面側から照明するバックライト照明装置７２とを備えて構成されている。そして、バックライト照明装置７２は、短波長光源７３を含んで構成され、短波長光源７３は少なくとも赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ出射する。短波長光源７３は、上記で説明した実施の形態１〜４で示した短波長光源を用いて構成される。

液晶パネル７１は、バックライト照明装置７２から出射される赤色、緑色及び青色の各レーザ光を利用して画像表示を行う偏光板７４及び液晶板７５で構成される。図１７に示す本実施の形態５のバックライト照明装置７２は、短波長光源７３と、短波長光源７３からの赤色、緑色及び青色のレーザ光をまとめて導光部７６を介して導光板７７に導く光ファイバー７８と、導光部７６から導入した赤色、緑色及び青色のレーザ光で均一に満たされた主面（図示せず）からレーザ光を出射する導光板７７とから構成されている。

なお、図１３に示す異なる波長の光を分離する波長分離ミラー２４、又は図１４に示す異なる偏光方向の光を分離する偏光分離ミラー２６を導光板７７の入射部又は内部に設置してもよい。これにより、光を分離し、それぞれの光を必要な液晶パネル７１に導くことで、光の利用効率を向上させることができる。

また、短波長光源が２波長光源の場合、短波長光源からの３原色のうちの２色の光と、別の光源からの残りの色の光とを合波する必要がある。つまり、短波長光源７３が青色光及び赤色光を出射する場合、カラーディスプレイ装置は、短波長光源７３の他に、緑色光を出射する光源を備える必要がある。

このように、短波長光源７３から、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つが出射され、導光板７７によって、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光が、波長及び偏光方向の少なくともいずれかに応じて分離される。したがって、短波長光源７３から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。

本実施の形態１〜４の短波長光源を用いれば、映像に合わせて出力強度及び各波長の光の強度比を可変できる。単一光源で２つ以上の波長の光を同時に出射することが可能になるので、光学系の簡素化が図れる。さらに、出射光が不要な場合にポンプ光が利用できるため、光源の消費電力を低減できる。

なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。

本発明の一局面に係る短波長光源は、単一偏光であり、第１の波長を有する第１のレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の入射により励起され、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光を発振する固体レーザ媒質を含む光共振器と、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の少なくとも一方の偏光方向を切り換えることで、前記光共振器から出射されるレーザ光の波長、又は前記光共振器から出射される複数のレーザ光の強度比を変化させる偏光スイッチとを備える。

この構成によれば、レーザ光源は、単一偏光であり、第１の波長を有する第１のレーザ光を出射し、光共振器は、レーザ光の入射により励起され、第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光を発振する固体レーザ媒質を含む。そして、偏光スイッチは、第１のレーザ光及び第２のレーザ光の少なくとも一方の偏光方向を切り換えることで、光共振器から出射されるレーザ光の波長、又は光共振器から出射される複数のレーザ光の強度比を変化させる。

したがって、光共振器から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。また、１つの光源から波長の異なる複数のレーザ光を同時に出射することができるので、光学系の構成を簡素化することができる。

また、上記の短波長光源において、前記光共振器は、前記固体レーザ媒質を挟む位置にそれぞれ配置された１対のミラーをさらに含み、前記偏光スイッチは、前記レーザ光源と、前記１対のミラーのうちの前記固体レーザ媒質の入射側のミラーとの間に配置されることが好ましい。

この構成によれば、偏光スイッチが、レーザ光源と、１対のミラーのうちの固体レーザ媒質の入射側のミラーとの間に配置されているので、固体レーザ媒質に入射する前に、レーザ光の偏光方向を変化させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記１対のミラーは、前記第２のレーザ光に対しては高反射特性を有し、前記第１のレーザ光に対しては高透過特性を有することが好ましい。この構成によれば、１対のミラーにより、光共振器内部で第２のレーザ光を共振させるとともに、第１のレーザ光をそのまま出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記レーザ媒質における前記第１のレーザ光の吸収率は略７５％であることが好ましい。この構成によれば、レーザ媒質における第１のレーザ光の吸収率は略７５％であるので、第１のレーザ光の略７５％が吸収されて第２のレーザ光に変換された場合、第２のレーザ光と第１のレーザ光との強度比を略２：１にすることができる。

また、上記の短波長光源において、前記１対のミラーの少なくとも一方は、偏光依存性を有していることが好ましい。この構成によれば、１対のミラーの少なくとも一方が偏光依存性を有しているので、固体レーザ媒質における第１のレーザ光の吸収効率及び１対のミラーにおける第１のレーザ光の透過効率を向上させ、複数のレーザ光を有効利用することができる。

また、上記の短波長光源において、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光は可視光であることが好ましい。この構成によれば、複数の可視光を切り換えて出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記偏光スイッチは、前記第１のレーザ光の光軸に平行な回転軸に取り付けられた波長板を含み、前記波長板の偏光軸は、前記回転軸に対して垂直であることが好ましい。

この構成によれば、第１のレーザ光の光軸に平行な回転軸に取り付けられた波長板を回転させることにより、第１のレーザ光又は第２のレーザ光の偏光方向を変化させ、第１のレーザ光と第２のレーザ光とを切り換えて出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ媒質は、複屈折率を有する固体レーザ結晶を含み、前記固体レーザ結晶は、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加されていることが好ましい。

この構成によれば、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加された固体レーザ結晶が用いられるので、固体レーザ結晶において所望の波長のレーザ光を生成することができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ媒質は、ダブルクラッドファイバーを含み、前記ダブルクラッドファイバーのコア部は、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加されている固体レーザ結晶を含むことが好ましい。

この構成によれば、コア部に、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加されている固体レーザ結晶を含むダブルクラッドファイバーが用いられるので、ダブルクラッドファイバーにおいて所望の波長のレーザ光を生成することができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ結晶は、Ｈｏが共添加されていることが好ましい。この構成によれば、Ｈｏが共添加されることで、固体レーザ媒質の吸収係数が増大し、励起効率が向上するので、複数のレーザ光を有効利用することができる。

また、上記の短波長光源において、前記第１のレーザ光又は前記第２のレーザ光を高調波に変換する波長変換素子をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、波長変換素子によって、第１のレーザ光又は第２のレーザ光が高調波に変換されるので、高調波に変換された第１のレーザ光と、高調波に変換された第２のレーザ光とを切り換えて出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記光共振器の光出射側に配置され、前記第１のレーザ光を反射させる反射体をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、光共振器の光出射側に配置され、第１のレーザ光を反射させる反射体によって、レーザ光源の発振波長を固定することができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ媒質は、Ｐｒイオンが添加されたＬｉＹＦ_４結晶又はＬｉＬｕＦ_４結晶を含むことが好ましい。この構成によれば、Ｐｒイオンが添加されたＬｉＹＦ_４結晶又はＬｉＬｕＦ_４結晶は、固体レーザ結晶のＣ軸と平行な偏光方向を有するπ偏光で励起した場合に吸収効率が大きくなるので、励起光の偏光方向に応じて励起効率を制御することができる。

また、上記の短波長光源において、前記第１の波長は、４４０〜４６０ｎｍであり、前記第２の波長は、６００〜６５０ｎｍであり、前記固体レーザ媒質の吸収率は、波長に応じて異なり、前記偏光スイッチは、前記光共振器から出力する前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光との強度比を変調することが好ましい。

この構成によれば、固体レーザ媒質の吸収率は、波長に応じて異なっており、偏光方向を切り換えることによってレーザ光の吸収量が変化するので、４４０〜４６０ｎｍの第１の波長を有する青色レーザ光と、６００〜６５０ｎｍの第２の波長を有する赤色レーザ光との強度比を変調することができる。

また、上記の短波長光源において、前記第１の波長は、４４０〜４６０ｎｍであり、前記第２の波長は、５１５〜５５５ｎｍであることが好ましい。この構成によれば、４４０〜４６０ｎｍの第１の波長を有する青色レーザ光と、５１５〜５５５ｎｍの第２の波長を有する緑色レーザ光とを切り換えて出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ媒質は、第１の偏光方向の前記第１のレーザ光を吸収するとともに、前記第１の偏光方向に垂直な第２の偏光方向の前記第１のレーザ光を透過させ、前記１対のミラーのうちの出射側のミラーは、前記第１の偏光方向の前記第１のレーザ光を反射させるとともに、前記第２の偏光方向の前記第１のレーザ光及び前記第１の偏光方向の前記第２のレーザ光を透過させ、前記第１の偏光方向の前記第２のレーザ光及び前記第２の偏光方向の前記第１のレーザ光のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる偏光分離素子をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、固体レーザ媒質は、第１の偏光方向の第１のレーザ光を吸収するとともに、第１の偏光方向に垂直な第２の偏光方向の第１のレーザ光を透過させる。また、１対のミラーのうちの出射側のミラーは、第１の偏光方向の第１のレーザ光を反射させるとともに、第２の偏光方向の第１のレーザ光及び第１の偏光方向の第２のレーザ光を透過させる。そして、偏光分離素子は、第１の偏光方向の第２のレーザ光及び第２の偏光方向の第１のレーザ光のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる。したがって、偏光方向に応じて第１のレーザ光と第２のレーザ光とを分離して出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる波長分離素子をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、波長分離素子は、第１のレーザ光及び第２のレーザ光のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる。したがって、波長に応じて第１のレーザ光と第２のレーザ光とを分離して出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ媒質は、組成の異なる複数の固体レーザ媒質を含むことが好ましい。この構成によれば、組成の異なる複数の固体レーザ媒質によって複数の波長のレーザ光を出射させることが可能となり、色再現範囲を向上させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記光共振器は、前記固体レーザ媒質の入射側に配置されたミラーをさらに含み、前記偏光スイッチは、前記固体レーザ媒質の出射側に配置され、前記固体レーザ媒質と前記ミラーとともに光共振器を構成することが好ましい。

この構成によれば、偏光スイッチは、固体レーザ媒質の出射側に配置され、固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質の入射側に配置されたミラーとともに光共振器を構成する。したがって、光共振器から波長の異なる光を出射させることができる。

本発明の他の局面に係る光学装置は、上記の短波長光源と、前記短波長光源から出射されたレーザ光をスクリーン又は照射体に照射する光学系とを備え、前記短波長光源は、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つを出射し、前記偏光スイッチを切り換えることで表示色を変化させる。

この構成によれば、短波長光源から、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つが出射され、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光がスクリーン又は照射体に照射される。したがって、短波長光源から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。

本発明の他の局面に係る光学装置は、上記の短波長光源と、前記短波長光源から出射されたレーザ光を導波する偏光特性を有する導光板とを備え、前記短波長光源は、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つを出射し、前記導光板は、前記赤色レーザ光、前記緑色レーザ光及び前記青色レーザ光を、波長及び偏光方向の少なくともいずれかに応じて分離する。

この構成によれば、短波長光源から、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つが出射され、導光板によって、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光が、波長及び偏光方向の少なくともいずれかに応じて分離される。したがって、短波長光源から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。

本発明に係る短波長光源及び光学装置は、複数のレーザ光を有効利用することができ、固体レーザ媒質を用いた短波長光源、及び当該短波長光源を利用した光学装置に有用である。

本発明は、固体レーザ媒質を用いた短波長光源、及び当該短波長光源を利用した光学装置に関するものである。

ＲＧＢ（赤、緑及び青）の３色のレーザ光を出射するレーザ光源を用いたレーザディスプレイ装置が提案されている。レーザ光は、単色性を有し、かつ広い色表現範囲を実現できるため、レーザ光源を用いたレーザディスプレイ装置では、高色彩のカラー表示が可能となる。ＲＧＢの３色のレーザ光により大画面のレーザディスプレイ装置を実現するには、数Ｗのレーザ光を出射するレーザ光源が必要となる。このようなレーザ光源を実現する手段としては、高出力のＡｒレーザ又はＫｒレーザ等のガスレーザが使用されていた。しかし、これらのガスレーザは、エネルギー変換効率が０．１％程度と非常に低いため、冷却装置を含めた大がかりな装置構成を必要とした。

一方、この問題を解決するため、固体レーザによる短波長光の発生が検討されている。ＹＡＧ等の固体レーザによって生成された１．０６４μｍの光を、波長変換素子により第２高調波に波長変換することで高出力の緑色光の発生が可能となった。また、最近では、Ｙｂがドープされたファイバーレーザを用いた高出力の緑色光の発生も報告されている。例えば、非特許文献１では、非線形光学素子としてＬＢＯを用い、６０Ｗの緑色光の発生を実現している。

また、固体レーザより直接発生する緑色光又は青色光を光源に利用する方法も提案されている。例えば、特許文献１に示すように、ＧａＮ系半導体レーザによって出射されたレーザ光により、３価のプラセオジムイオン（Ｐｒ^３＋）をドープしたレーザ媒質を励起することで赤色光及び緑色光を発生し、発生した赤色光及び緑色光をレーザディスプレイに応用する方法が提案されている。

特開２００１−２６４６６２号公報

Ａｎｐｉｎｇ Ｌｉｕ、Ｍａｒｃ Ａ． Ｎｏｒｓｅｎ、Ｒｏｙ Ｄ． Ｍｅａｄ、「６０−Ｗ ｇｒｅｅｎ ｏｕｔｐｕｔ ｂｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｉｎｇ ｏｆ ａ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．１、２００５年１月１日、ｐ．６７−６９

しかしながら、上述したレーザ光源では、レーザディスプレイ装置用の光源に必要な高効率な強度変調が難しいという問題がある。特に、上記の非特許文献１及び特許文献１では、ポンプ光及びレーザ光を共にレーザディスプレイ装置用の光源として効率よく利用する構成については全く考慮されておらず、提案もされていない。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、複数のレーザ光を有効利用することができる短波長光源及び光学装置を提供することを目的とするものである。

本発明の一局面に係る短波長光源は、単一偏光であり、第１の波長を有する第１のレーザ光を出射するレーザ光源と、前記第１のレーザ光の入射により励起され、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光を発振する固体レーザ媒質を含む光共振器と、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の少なくとも一方の偏光方向を切り換えることで、前記光共振器から出射されるレーザ光の波長、又は前記光共振器から出射される複数のレーザ光の強度比を変化させる偏光スイッチとを備える。

この構成によれば、レーザ光源は、単一偏光であり、第１の波長を有する第１のレーザ光を出射し、光共振器は、第１のレーザ光の入射により励起され、第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光を発振する固体レーザ媒質を含む。そして、偏光スイッチは、第１のレーザ光及び第２のレーザ光の少なくとも一方の偏光方向を切り換えることで、光共振器から出射されるレーザ光の波長、又は光共振器から出射される複数のレーザ光の強度比を変化させる。

本発明によれば、光共振器から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。また、１つの光源から波長の異なる複数のレーザ光を同時に出射することができるので、光学系の構成を簡素化することができる。

本発明の実施の形態１に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の第１の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の第２の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の第３の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の第４の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の第５の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 セラミックＹＡＧを母材とし、Ｐｒをドープした場合と、ＰｒとＨｏとを共ドープした場合との蛍光スペクトルを示す図である。 本発明の実施の形態１の第６の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る短波長光源の構成を示す図である。 ＰｒがドープされたＹＬＦ固体レーザ結晶の蛍光スペクトルを示す図である。 本発明の実施の形態４に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４に係るカラーディスプレイ装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４の変形例に係るカラーディスプレイ装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態５に係るカラーディスプレイ装置の構成を示す図である。

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

なお、以下に説明する各実施の形態は、短波長光が直接発振可能な固体レーザ媒質において、ポンプ光及びレーザ光の利用効率を向上させて、高効率なレーザ光利用システムを構成することを目的とする。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る短波長光源の構成を示す図である。図１に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、レーザ媒質２、多層膜ミラー３，４、偏光スイッチ６及び集光光学系８を備える。光共振器３０は、レーザ媒質２及び多層膜ミラー３，４を含む。

ＧａＮ系半導体レーザ１は、マルチストライプの半導体レーザである。ＧａＮ系半導体レーザ１から出射されるポンプ光７は、直線偏光である。ポンプ光７の波長は４４０ｎｍ近傍である。また、ＧａＮ系半導体レーザ１の出力は５Ｗである。ＧａＮ系半導体レーザ１は、４４０ｎｍ近傍の波長を有するポンプ光７を出射する。集光光学系８は、ＧａＮ系半導体レーザ１から出射されたポンプ光７を集光する。

多層膜ミラー４は、波長４４０ｎｍの光を透過し、波長６４０ｎｍ近傍の光を反射するように設計されている。ＧａＮ系半導体レーザ１から出力されたポンプ光７は、偏光スイッチ６を透過した後、レーザ媒質２に入射する。

レーザ媒質２は、３価のプラセオジムイオン（Ｐｒ^３＋）がドープされている。レーザ媒質２は、多層膜ミラー３，４とともに光共振器を構成し、レーザ媒質２からは、波長６４０ｎｍ近傍の光がレーザ発振されて、出射光５として出力される。多層膜ミラー３，４は、波長６４０ｎｍ近傍の光に関しては高反射特性を有し、波長４４０ｎｍ近傍の光に対しては高透過特性を有する。このため、レーザ媒質２で吸収されなかった光は、外部へ出力される。

レーザ媒質２は、ポンプ光７の入射により励起され、６４０ｎｍ近傍の波長を有するレーザ光を発振する。多層膜ミラー３，４は、レーザ媒質２とともに光共振器を構成し、レーザ媒質２を挟む位置にそれぞれ配置されている。なお、ＧａＮ系半導体レーザ１は、４４０〜４６０ｎｍのポンプ光７を出射し、レーザ媒質２は、６００〜６５０ｎｍの出射光５を出射してもよい。

さらに、レーザ媒質２の吸収特性は偏光依存性を有する。このため、偏光スイッチ６によって、ポンプ光７の偏光方向が調整されることで、レーザ発振の光強度を調整することができる。レーザ媒質２から出力する波長６４０ｎｍ近傍の出射光５と、ポンプ光７との強度比が偏光スイッチ６によって調整することが可能になる。これによって、赤色の光と青色の光とを同時に出力し、かつその強度比を可変できる２波長レーザ光源が実現できる。

偏光スイッチ６は、第１のレーザ光（ポンプ光７）及び第２のレーザ光（出射光５）の少なくとも一方の偏光方向を切り換えることで、光共振器３０から出射されるレーザ光の波長、又は光共振器３０から出射される複数のレーザ光の強度比を変化させる。

すなわち、偏光スイッチ６は、ポンプ光７又は出射光５の偏光方向を変化させることで、光共振器３０から、ポンプ光７及び出射光５のレーザ光のうちのいずれか一方を出射させる、又はポンプ光７と出射光５との強度比を変化させてポンプ光７及び出射光５の両方を出射させる。本実施の形態１では、偏光スイッチ６は、ＧａＮ系半導体レーザ１と、レーザ媒質２の入射側の多層膜ミラー４との間に配置され、ポンプ光７の偏光方向を変化させる。

なお、本実施の形態１において、ＧａＮ系半導体レーザ１がレーザ光源の一例に相当し、４４０ｎｍの波長が第１の波長の一例に相当し、ポンプ光７が第１のレーザ光の一例に相当し、６４０ｎｍの波長が第２の波長の一例に相当し、出射光５が第２のレーザ光の一例に相当し、レーザ媒質２が固体レーザ媒質の一例に相当し、多層膜ミラー３，４が１対のミラーの一例に相当する。

なお、Ｐｒイオンなどの可視光を発生するレーザ媒質２は吸収係数が比較的小さいため、高効率でレーザ光に変換するのが難しい。一方、赤、緑及び青の光を用いるカラーディスプレイ装置などの用途においては、変換されたレーザ光のみならず、ポンプ光も有効に利用することでシステム全体の消費電力を低減できる。

したがって、本実施の形態の短波長光源では、レーザ媒質２でのポンプ光の吸収率が１００％近くでない場合でも、吸収しきれないポンプ光を外部に取り出すことで有効に利用できる。さらに、ポンプ光及びレーザ光がほぼ同軸で出射することで、レーザ光を利用する光学系を単純にすることができるため、システムの小型化及び簡素化にも有効である。

偏光スイッチ６は、電気光学効果や音響光学効果を利用して偏光方向を可変することができる。

このように、ＧａＮ系半導体レーザ１は、単一偏光であり、第１の波長を有する第１のレーザ光（ポンプ光７）を出射し、光共振器３０は、ポンプ光７の入射により励起され、第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光（出射光５）を発振する固体レーザ媒質２を含む。そして、偏光スイッチ６は、第１のレーザ光又は第２のレーザ光の偏光方向を変化させることで、光共振器３０から、第１のレーザ光及び第２のレーザ光のうちのいずれか一方を出射させる、又は第１のレーザ光と第２のレーザ光との強度比を変化させて第１のレーザ光及び第２のレーザ光の両方を出射させる。

したがって、光共振器から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。また、１つの光源から波長の異なる複数のレーザ光を同時に出射することができるので、光学系の構成を簡素化することができる。

また、偏光スイッチ６が、ＧａＮ系半導体レーザ１と、多層膜ミラー３，４のうちのレーザ媒質２の入射側の多層膜ミラー４との間に配置されているので、レーザ媒質２に入射する前に、レーザ光の偏光方向を変化させることができる。

図２は、本発明の実施の形態１の第１の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図２において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

図２に示すように、偏光スイッチ６は、ポンプ光７の光軸に平行な回転軸２０と、回転軸２０に回転可能に取り付けられ、λ／２板２１と光学基板２２とが交互に貼り合わされた円板２３とを備えてもよい。光学基板２２は、透明な基板であり、ポンプ光７をそのまま透過する。一方、λ／２板２１は、透過する光の偏光方向を回転させる。そのため、ポンプ光７がλ／２板２１と光学基板２２とを交互に通過することで、ポンプ光７の偏光方向が切り替わる。

これによって、レーザ媒質２から出力する出射光５とポンプ光７との強度が交互に変化する。λ／２板２１の偏光軸は、円板２３の中心の回転軸２０に対して垂直になるように配置するのが好ましい。λ／２板２１は、偏光軸に垂直な光が入射した場合に直線偏光の光の偏光が９０°回転するように設計されている。偏光軸を回転中心に垂直にすることで、入射する光の偏光に対してλ／２板２１の偏光方向を常に一致させることが可能となる。

なお、本実施の形態１の第１の変形例において、円板２３が波長板の一例に相当する。

図３は、本発明の実施の形態１の第２の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図３において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図１の短波長光源の構成と異なる点は、光共振器を構成する多層膜ミラー３の出力側に反射体９を設置した点である。

図３に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、レーザ媒質２、多層膜ミラー３，４、偏光スイッチ６、集光光学系８及び反射体９を備える。反射体９は、体積グレーティングで構成され、特定波長の光を反射する。反射体９は、光共振器の光出射側に配置され、ポンプ光７を反射させる。反射体９から反射された光は、ＧａＮ系半導体レーザ１の活性層に帰還し、ＧａＮ系半導体レーザ１の発振波長を固定する。レーザ媒質２の吸収スペクトルが狭いため、波長ロック機構によりＧａＮ系半導体レーザ１の発振波長を固定することで、高効率な励起が可能となる。また、周辺の温度変化によってもＧａＮ系半導体レーザ１の発振波長が変化するが、波長ロック機構を備えた本構成では、外部の温度変化に対しても安定な出力動作が実現できる。

図４は、本発明の実施の形態１の第３の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図４において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。実施の形態１の第３の変形例に係る短波長光源では、波長変換されたレーザ光をポンプ光として用いる。

図４に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１０、レーザ媒質２、多層膜ミラー３，４、偏光スイッチ６、集光光学系８及び波長変換素子１１を備える。ＧａＮ系半導体レーザ１０は、波長９６０ｎｍ近傍のポンプ光７を出射する高出力半導体レーザである。波長変換素子１１は、周期状の分極反転構造を有し、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ_３（ＭｇＬＮ）結晶で構成される。波長変換素子１１は、ポンプ光７を高調波に変換する。

ＧａＮ系半導体レーザ１０から出射したポンプ光７は、波長変換素子１１により波長変換されて４８０ｎｍの波長を有するレーザ光になる。プラセオジム（Ｐｒ）がドープされたレーザ結晶（レーザ媒質２）は、４８０ｎｍ近傍に吸収特性を有するため高効率の波長変換ができる。偏光スイッチ６によって、波長変換された光の偏光方向をスイッチングする。これにより、レーザ媒質２からの出射光５である６４０ｎｍ近傍のレーザ光と、ポンプ光７である４８０ｎｍの青緑色光との強度比を変調することができ、２波長出力の強度比を変調することが可能となる。

なお、図４に示す短波長光源では、波長変換素子１１と偏光スイッチ６とを別体で構成しているが、本発明は特にこれに限定されない。ＭｇＬＮ結晶に電極を形成し、形成した電極に電圧を印加することにより、入射した光の偏光方向を回転させることが可能であるため、波長変換素子１１と偏光スイッチ６とを一体に構成してもよい。波長変換素子と偏光スイッチとを一体化する構成により小型化が図れる。

また、実施の形態１の第３の変形例の短波長光源では、ＧａＮ系半導体レーザ１０と偏光スイッチ６との間に波長変換素子１１を配置しているが、本発明では特にこれに限定されず、多層膜ミラー３の出射側に波長変換素子１１を配置してもよい。この場合、波長変換素子１１は、偏光スイッチ６による偏光方向の切り換えにより、ポンプ光７又は出射光５を高調波に変換する。

次に、レーザ媒質の吸収係数をより大きくして、レーザ光の発生効率を向上させる本実施の形態１の第４の変形例について説明する。

図５は、本発明の実施の形態１の第４の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図５において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。実施の形態１の第４の変形例に係る短波長光源の構成は、図１の構成の多層膜ミラー３に換えて、偏光特性を有する多層膜ミラー１３を備えることを特徴とする。

図５に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、レーザ媒質２、多層膜ミラー４、偏光スイッチ６、集光光学系８及び多層膜ミラー１３を備える。光共振器３０は、レーザ媒質２及び多層膜ミラー４，１３を含む。ＧａＮ系半導体レーザ１から出力した４４０ｎｍ近傍の波長を有するポンプ光７は、多層膜ミラー４を通過してレーザ媒質２で吸収される。

レーザ媒質のＣ軸と平行な偏光方向を有するπ偏光は、レーザ媒質２における吸収係数が大きい。そのため、π偏光の場合にポンプ光７は効率良くレーザ媒質２に吸収される。一方、π偏光と垂直な偏光方向を有するσ偏光の場合、レーザ媒質２の吸収係数は大幅に低下してレーザ発振の光も小さくなる。本実施の形態１の第４の変形例では、偏光特性を有する多層膜ミラー１３を備えることで、レーザ媒質２の発振効率をより高めることを可能にする。

多層膜ミラー１３は、レーザ媒質２を透過したπ偏光の光を反射し、σ偏光の光を透過するような偏光依存性を有している。この結果、π偏光のポンプ光７は、多層膜ミラー１３で反射され、反射光１２は、再びレーザ媒質２で吸収されるため、吸収率が増大し、レーザ光への変換効率が増大する。一方、σ偏光のポンプ光７は、レーザ媒質２の吸収も小さく、多層膜ミラー１３も透過するため、ポンプ光７を有効に取り出すことが可能となる。この結果、偏光スイッチ６によって切り換えられるポンプ光７と出射光５との消光比が大幅に増大すると共に、ポンプ光７から出射光５への変換効率が飛躍的に増大する。

なお、実施の形態１の第４の変形例では、出射側の多層膜ミラー１３が偏光依存性を有しているが、本発明は特にこれに限定されず、入射側の多層膜ミラー４が偏光依存性を有してもよく、また、入射側の多層膜ミラー４と出射側の多層膜ミラー１３との両方が偏光依存性を有してもよい。この場合、多層膜ミラー４，１３の少なくとも一方が偏光依存性を有しているので、レーザ媒質２におけるポンプ光７の吸収効率及び多層膜ミラー４，１３におけるポンプ光７の透過効率を向上させ、複数のレーザ光を有効利用することができる。

レーザ媒質２としては、ＬｉＹＦ_４結晶及びＬｉＬｕＦ_４結晶などが用いられる。これらのレーザ結晶においては、レーザ結晶のＣ軸と平行な偏光方向を有するπ偏光で励起した場合にポンプ光７の吸収効率が大きくなる。このため、励起光の偏光方向により励起効率を制御することができる。また、吸収係数が小さな偏光で励起すれば、ポンプ光７の吸収効率が大きく低下するため、吸収されないポンプ光７を外部に採りだして、利用することが可能となる。

特に、ＬｉＬｕＦ_４結晶は、ポンプ光７の偏光依存性が強いため、効率よくポンプ光７と出射光５との強度変調が可能である。Ｐｒ^３＋がドープされたＬｉＬｕＦ_４結晶の場合、波長４４５ｎｍのポンプ光７に対するπ偏光の吸収係数は５ｃｍ^−１程度であり、σ偏光の吸収係数は０．８ｃｍ^−１程度であり、波長４８０ｎｍのポンプ光７に対するπ偏光の吸収係数は１３ｃｍ^−１程度であり、σ偏光の吸収係数は０．１ｃｍ^−１以下である。

レーザ媒質２は、Ｐｒイオンが添加されたＬｉＹＦ_４結晶又はＬｉＬｕＦ_４結晶で構成されてもよい。Ｐｒイオンが添加されたＬｉＹＦ_４結晶又はＬｉＬｕＦ_４結晶は、レーザ結晶のＣ軸と平行な偏光方向を有するπ偏光で励起した場合に吸収効率が大きくなるので、励起光の偏光方向に応じて励起効率を制御することができる。

このように、ポンプ光７の偏光方向によってレーザ媒質２の吸収係数が大きく異なるため、偏光スイッチ６によってポンプ光７を素通りさせたり、レーザ光（出射光５）に変換したりすることが可能となり、レーザ光源として出力光の波長を切り替えたり、出力光の強度比を調整したりことが可能となる。

さらに、光共振器内部で波長変換を行う本実施の形態１の第５の変形例について図６を用いて説明する。

図６は、本発明の実施の形態１の第５の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図６において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図６に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、レーザ媒質２、多層膜ミラー３，４、偏光スイッチ６、集光光学系８及び非線形光学結晶１４を備える。

図６において、光共振器内部に非線形光学結晶１４が挿入される。波長変換素子（非線形光学結晶１４）は、レーザ媒質２の出力を第２高調波１５に変換する。ここで、基本波（ポンプ光７）の波長は４４０ｎｍであり、レーザ媒質２の発振波長は６４０ｎｍであり、第２高調波１５の波長は３２０ｎｍである。レーザ媒質２と多層膜ミラー３との間に非線形光学結晶１４を挿入することで３波長の発振が可能となる。

さらに、偏光スイッチ６によってポンプ光７の偏光を制御することで、ポンプ光７と第２高調波１５と出射光５との強度比を制御することが可能となる。非線形光学結晶１４としては、ＬＢＯ又はＢＢＯ等が用いられるが、周期状の分極反転構造を有するＬｉＴａＯ_３（ＬＴ）又はＭｇＯがドープされたＬｉＴａＯ_３（ＭｇＬＴ）も有効である。ＬＴ及びＭｇＬＴは、高い非線形定数を有し、吸収端の波長も２８０ｎｍと短いため、紫外光を高効率で波長変換できる。さらに、大型結晶の育成が可能であるため、低コスト化が可能である。

また、非線形光学結晶１４について、波長４００ｎｍ以下の光が照射されると可視光が吸収されるという現象が見つかった。可視光の吸収を防止する方法として、ＭｇがドープされたＬＴを非線形光学結晶１４にもちいることが有効である。Ｍｇのドープ量を７ｍｏｌ％以下にして、結晶の温度を５０℃以上にすると可視光の吸収が大幅に低減されるため、安定した紫外光出力が得られるようになった。短波長光源の構成としては、レーザ媒質２と非線形光学結晶１４とを含む光共振器を５０℃以上の温度で安定させて使用することで、１００ｍＷを超える高出力の紫外光を安定に出力できる。

なお、本実施の形態の構成において、多層膜ミラー３の代わりに、体積グレーティングミラーを用いてもよい。体積グレーティングミラーは、特定の波長に反射特性を有する。そのため、レーザ媒質２の発振波長である６４０ｎｍ近傍の波長に反射特性を有する体積グレーティングミラーを用いることでポンプ光７を透過させることができる。さらに、体積グレーティングミラーは、波形のグレーティング構造にすることで偏光特性を持たせることができる。このため、図６に示したように、多層膜ミラー３の代わりに、体積グレーティングミラーを用いた場合、偏光によりポンプ光７を反射する構成が容易に実現できるという利点を有する。

また、レーザの発振ゲインの存在する波長領域にブロードな反射特性を有する反射体を用いれば、レーザの発振スペクトルが拡がり、スペックルノイズの低減が可能となる。体積グレーティングミラーのもう一つの特徴は複数の波長に反射特性を有する設計が可能な点である。Ｐｒがドープされたレーザ媒質２は、６４０ｎｍ以外に５３０ｎｍ近傍にも発振線を有する。このため、体積グレーティングミラーが６４０ｎｍ及び５３０ｎｍの両方の波長に対して反射特性を有している場合、短波長光源はＲＧＢの３色を同時に発生する３波長光源となる。

偏光特性を持った体積グレーティングミラーは、２次元フォトニック結晶構造を設けることで実現できる。具体的には、周期的な凹凸構造を設けたガラス基板上に、２種類の無機材料を自己クローニング法によって交互に積層していくことで、ガラス基板の周期構造と同じ周期の周期構造を、積層する層の表面に設けることができる。これによって、２次元フォトニック結晶構造を設けることが可能になり、偏光特性を有する体積グレーティングミラーを作成することができる。

レーザ光源を表示装置に利用する場合に、スペックルノイズにより画質が劣化する問題がある。スペックルノイズを防止する方法として、レーザ光の発振スペクトルを拡大することでレーザ光のコヒーレンスを低減する方法が有効である。発振スペクトルを拡大する方法として、ポンプレーザ光をパルス変調する方法や、光共振器内部に過飽和吸収体を挿入してレーザ光をパルス発振させる方法がある。本実施の形態の構成においてもこれらの方法を導入することは可能である。

さらに、本実施の形態の構成においては、偏光スイッチ６の変調によってもレーザ光をパルス発振させて、発振スペクトルを拡大することが可能となる。偏光スイッチ６としては、電気光学（ＥＯ）スイッチ又は音響光学（ＡＯ）スイッチのような高速に切り換え可能なスイッチが必要となるが、変調速度を数ｋＨｚ以上の変調速度で偏光方向をスイッチングすると、レーザ媒質内部の吸収率が時間的に変化するため、レーザ光の発振状態が変化して発振スペクトルが拡大する。これによって、レーザ光のコヒーレンスが劣化してスペックルノイズを低減でき、高画質な画像表示が可能となる。

また、Ｐｒがドープされたレーザ媒質２は、媒質によって発振波長が異なるが、６００〜６６０ｎｍの赤色光の波長域と、５１５〜５５５ｎｍの緑色光の波長域との発振波長を有する。これを利用することで、レーザディスプレイ光源が実現できる。さらに、ディスプレイの色再現性を考慮すると、緑色光の波長は５２０〜５４０ｎｍが好ましく、赤色光の波長は６２０〜６４０ｎｍが好ましい。

また、Ｐｒ^３＋がドープされたレーザ媒質２に他の物質を共ドープすることで、縦モードのマルチ化を促進できる。図７は、セラミックＹＡＧを母材とし、Ｐｒをドープした場合と、Ｐｒとホルミウム（Ｈｏ）とを共ドープした場合との蛍光スペクトルを示す図である。図７において、横軸は波長を表し、縦軸は相対強度を表す。また、図７の破線は、Ｐｒのみをドープした場合の蛍光スペクトルを表し、実線は、ＰｒとＨｏとをドープした場合の蛍光スペクトルを表す。図７に示すように、ＰｒとＨｏとを共ドープすることで、レーザ媒質２は、５００ｎｍ近傍から６５０ｎｍ程度までの非常に広い範囲で強い蛍光特性を有し、レーザ発振が可能となる。

これによって、発振スペクトルの高効率化と広帯域化とが可能となる。本実施の形態の複数の波長の光を出射することが可能なレーザ媒質２を用いることで、低コヒーレンスの光源が高効率に実現できるため、小型化及び高出力化に有効である。Ｐｒのドープ量としては１〜３ａｔ％程度の範囲が有効であり、Ｈｏのドープ量も１〜３ａｔ％程度の範囲が有効であった。

なお、母材としては、ＹＡＧ以外に、ＹＬＦ（ＬｉＹＦ_４）、ＹＶＯ_４及びガラス等も有効である。また、母材としては結晶構造も有効であるが、セラミック材料として利用する方法もある。セラミック材料はＰｒ及びＨｏ等のドープ量の増大が可能であり、作製も容易なことから、高効率化及び低コスト化に有効である。

また、本実施の形態１におけるレーザ媒質２は、母材にＰｒとＨｏとをドープさせているが、本発明は特にこれに限定されず、Ｈｏ以外に、イッテルビウム（Ｙｂ）、ネオジム（Ｎｄ）、エルビウム（Ｅｒ）又はクロム（Ｃｒ）等の材料をＰｒと共にドープさせてもよい。Ｙｂ、Ｎｄ、Ｅｒ又はＣｒと、Ｐｒとを母材にドープした場合でも、レーザ媒質２の吸収係数が増大し、励起効率が向上するので、高効率化に有効である。

なお、本実施の形態１の構成では、Ｐｒ^３＋がドープされたレーザ媒質２を用いたが、その他、３価のユウロピウムイオン（Ｅｕ^３＋）、３価のサマリウムイオン（Ｓｍ^３＋）、３価のセリウムイオン（Ｃｅ^３＋）、３価のツリウムイオン（Ｔｍ^３＋）、３価のテルビウムイオン（Ｔｂ^３＋）又は２価のユウロピウムイオン（Ｅｕ^２＋）のうちの少なくとも１つをドープさせた固体レーザ結晶も有効である。

例えば、Ｅｕ^３＋がドープされたレーザ媒質２は、波長４００ｎｍ近傍のポンプ光によるｆ−ｆ吸収を使用し、５Ｄ０→７Ｆ２の遷移により波長６１５ｎｍ近傍の赤色光が得られる。また、Ｓｍ^３＋を用いても同様の赤色領域の発振が可能である。波長４００ｎｍ近傍のポンプ光は、ＩｎＧａＮ系半導体レーザにおけるＩｎの量が最適となるため、高出力耐性の優れた信頼性の高い半導体レーザをポンプ光源として利用できるという利点を有する。

さらに、本実施の形態１の短波長光源を用いることで、赤色半導体レーザにおいて生じる高温での効率劣化及び高出力での特性劣化などの問題がなく、温度による波長変動が少ないため表示装置用光源として極めて優れた特性を有する。また、Ｃｅ^３＋、Ｅｕ^２＋又はＴｍ^３＋を用いた場合、波長４５０ｎｍ近傍の青色光の発生が可能であり、Ｔｂ^３＋を用いた場合、波長５４３ｎｍ近傍の緑色光の発生が可能である。

これらのイオンを単独、又は複数共ドープすることで、発振波長を制御し、波長の異なる複数の光を同時に発生することが可能となる。その結果、発振スペクトルのマルチモード化が強くなり、スペックルノイズの低減効果が大きくなる。また、波長の異なる複数の光を出力することにより、表示装置において表示できる色範囲が大きく広がるという利点も有する。また、複数のイオンを共ドープすることで、イオン間のエネルギー転送による発光効率の向上が図れるという利点も有する。

なお、本実施の形態１ではレーザ媒質２の発振波長を６４０ｎｍ近傍の場合について説明したが、その他、波長５３０ｎｍ近傍の発振も可能である。緑色レーザ光は固体レーザ媒質での直接発振が難しいので、応用範囲が広く有用である。

なお、本実施の形態１の構成では単一のレーザ媒質２を備える場合について述べたが、複数のレーザ媒質又は複数のイオンドープも有効である。複数のレーザ媒質を光共振器内部に挿入すると、異なる波長での発振が可能となる。

ここで、同一の光共振器の内部に３つのレーザ媒質を挿入する本実施の形態１の第６の変形例について説明する。図８は、本発明の実施の形態１の第６の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図８において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

図８に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、多層膜ミラー３，４、偏光スイッチ６、集光光学系８、第１のレーザ媒質１６、第２のレーザ媒質１７及び第３のレーザ媒質１８を備える。光共振器３０は、第１のレーザ媒質１６、第２のレーザ媒質１７、第３のレーザ媒質１８及び多層膜ミラー３，４を含む。

実施の形態１の第６の変形例に係る短波長光源は、多層膜ミラー３，４間に第１のレーザ媒質１６、第２のレーザ媒質１７及び第３のレーザ媒質１８を備える。第１のレーザ媒質１６は、Ｔｂ^３＋をドープした固体レーザ結晶で構成され、５４３ｎｍの波長を有するレーザ光を発生させる。第２のレーザ媒質１７は、Ｐｒ^３＋をドープした固体レーザ結晶で構成され、６３０ｎｍの波長を有するレーザ光を発生させる。第３のレーザ媒質１８は、Ｅｕ^２＋をドープした固体レーザ結晶で構成され、４５０ｎｍの波長を有するレーザ光を発生させる。この短波長光源を表示装置に用いることにより、ＲＧＢ画像が表示される。この場合、光共振器を構成する多層膜ミラー３，４は各波長のすべての光を反射する構成となっている。

なお、Ｐｒ^３＋をドープした場合、４９０ｎｍの波長を有するレーザ光を発生させることも可能であるため、上記の３色画像に加えて４色画像を表示することもできる。これにより表示装置の色再現範囲はさらに１．３倍程度広がることになる。

これによって、組成の異なる複数のレーザ媒質によって複数の波長のレーザ光を出射させることが可能となり、色再現範囲を向上させることができる。また、赤、緑及び青の３色のレーザ光の発振や、４色のレーザ光の発振が可能となり、表示装置用の光源として応用が広がる。

（実施の形態２）
ここでは、本発明の実施の形態２の構成であるドープファイバー（ダブルクラッドファイバー）を用いた短波長光源について説明する。図９は、本発明の実施の形態２に係る短波長光源の構成を示す図である。

図９に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ３１、Ｐｒ^３＋をドープした固体レーザ結晶をコア部にしたダブルクラッドファイバー３２、グレーティングファイバー３３、偏光スイッチ３４及び反射ミラー３５を備える。

ＧａＮ系半導体レーザ３１は、４４０ｎｍ近傍の波長を有するポンプ光を出射する。ＧａＮ系半導体レーザ３１から出射された波長４４０ｎｍ近傍の光は、偏光スイッチ３４及び反射ミラー３５を透過して、ダブルクラッドファイバー３２内に導かれる。励起光は、ダブルクラッドファイバー３２のコア部にドープしたＰｒイオンに吸収される。その結果、ダブルクラッドファイバー３２から、波長５３０ｎｍ近傍の緑色光が発生する。

光共振器３０は、ダブルクラッドファイバー３２と、ダブルクラッドファイバー３２の入射端面に付加した反射ミラー３５と、ダブルクラッドファイバー３２の出射端面に付加したグレーティングファイバー３３とで構成される。

偏光スイッチ３４によって励起光の偏光方向をスイッチングするとダブルクラッドファイバー３２での吸収率が変化し、出力する緑色光と青色光との割合が変化する。この場合、ダブルクラッドファイバー３２は曲げを少なくして直線で設置することが望ましい。ファイバーを強い曲率で曲げるとファイバーを伝搬するポンプ光の偏光がファイバー内部で変化する。これを防止するため、ファイバーの曲率を大きくする構成、又はファイバーを直線状に設置する構成が望ましい。また、ファイバー型の偏光スイッチ３４を用いれば、全体がコンパクトな構成になり、結合損失を低減できる。

さらに、ダブルクラッドファイバー３２は複数のコア部を有することで高出力化が可能となる。ファイバーの高出力化はファイバー内でのパワー密度により制限される。特に可視光域のファイバーレーザは赤外光域のファイバーレーザに比べてパワー密度の向上が難しいため、高出力化にはコア径を大きくしてパワー密度を低減する必要がある。しかしながら、ファイバー径が大きくなりすぎると、マルチモード化が激しくなって、多くの横モードが同一ファイバー内に伝搬することになる。このような状態では、励起エネルギーが多くの横モードに分散して発振効率が低下するとともに、グレーティングファイバー３３における高い反射率での反射が難しくなり、レーザ発振自体が困難になる。

この問題を解決するのが複数のコア部である。通常のファイバーレーザでは、複数のコア部を有すると出力モードの品質が低下して集光特性が劣化するが、ディスプレイ用途ではモード品質の劣化は問題ない。このため、各コア部でのパワー密度を低下させ、各コア部から出力する光を集めることで、高出力化が可能となる。

さらに、複数のコア部を有することで高効率化が可能となる。高効率なファイバーレーザには、クラッド部を伝搬する青色光の吸収効率の向上が有効である。ダブルクラッドファイバー３２に複数のコア部を設けることで、クラッド部に対するコア部の断面積の占める割合が大きくなるため、クラッド光の吸収係数を数倍に大きくできる。さらに、クラッドを伝搬する光に対して、複数のコア部を設けることで、ダブルクラッドファイバー３２の断面におけるコア部の配置を中心対象からずらした配置が可能となり、複数のコア部を非対称に配置できる。

ファイバーのコア部が中心対象になると、コア部を避けてクラッドを伝搬する光の軸対象モードが存在し、これがクラッドでの吸収を低下させる。しかしながら、複数のコア部を有することで非対称のコア部の配置が容易になり、クラッドを伝搬する光の吸収効率を増大させることができる。これによって、ダブルクラッドファイバー３２の発振効率を向上させることができる。

また、複数のコア部のそれぞれの材質又はドープ材料を変えることで、複数のコア部から異なる波長の光を発生させることが可能となる。発振波長が異なることで、発振スペクトルが拡大し、スペックルノイズが低減できる。また、複数のコア部から異なる波長の光を出射することで、多色光源が実現できる。この場合にも、ポンプ光とレーザ発振の光とを偏光によって変調することで、ポンプ光を有効に利用してレーザ光の利用効率を向上できる。

なお、本実施の形態２では、ダブルクラッドファイバー３２のコア部は、Ｐｒ^３＋をドープした固体レーザ結晶で構成されるが、本発明は特にこれに限定されず、ダブルクラッドファイバー３２のコア部は、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加されている固体レーザ結晶であればよい。

このように、コア部に、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加されている固体レーザ結晶を含むダブルクラッドファイバー３２が用いられるので、ダブルクラッドファイバー３２において所望の波長のレーザ光を生成することができる。

なお、本実施の形態２ではレーザ媒質としてドープファイバー（ダブルクラッドファイバー３２）を用いたが、図１０に示す光導波路を用いた導波路レーザでも同様の構成が実現できる。

図１０は、本発明の実施の形態２の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。図１０に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ４１、偏光スイッチ４２、レーザ媒質４３及び基板４４を備える。

レーザ媒質４３は、Ｐｒをドープした固体レーザ結晶で構成され、直接接合により基板４４上に張り付けられる。レーザ媒質４３と基板４４との間にはギャップ部４５が形成されており、ギャップ部４５によってレーザ媒質４３と基板４４とは光学的に分離されている。レーザ媒質４３をリッジ状に加工することでリッジ導波路４６が構成される。

リッジ導波路４６にＧａＮ系半導体レーザ４１からの入射光４７が入射されると、レーザ媒質４３が励起され、５３０ｎｍ近傍の緑色光が発生する。リッジ導波路４６の入射部４８と出射部４９とには反射多層膜が形成されており、入射部４８と出射部４９とによって、レーザ光が発振される。すなわち、光共振器は、レーザ媒質４３、入射部４８及び出射部４９を含む。

リッジ導波路４６（レーザ媒質４３）の材料としては、ＰｒをドープしたＹＧＡ結晶、ＹＬＦ結晶又はセラミック材料等を用いることができる。なお、リッジ導波路４６の出射部４９の近傍にはグレーティング５１が形成されている。

偏光スイッチ４２は、ＧａＮ系半導体レーザ４１からの入射光４７の偏光方向を調整することで、出射光５０と入射光４７との強度を変調する。

また、図１０の短波長光源では、偏光スイッチ４２とリッジ導波路４６とを別体で構成しているが、本発明は特にこれに限定されない。偏光スイッチ４２は、リッジ導波路４６に集積化してもよく、これにより、小型化が図れる。

このように、リッジ導波路４６を用いることで偏光方向に依存せずに導波が可能であるため、２波長出力を同一の光導波路から出射することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る短波長光源について説明する。図１１は、本発明の実施の形態３に係る短波長光源の構成を示す図である。なお、図１１において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図１１に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、多層膜ミラー４、集光光学系８、レーザ媒質２及び偏光スイッチ１９を備える。光共振器３０は、レーザ媒質２、多層膜ミラー４及び偏光スイッチ１９を含む。

図１に示す短波長光源では、偏光スイッチ６が集光光学系８と多層膜ミラー４との間に配置されている。これに対し、図１１に示す短波長光源では、偏光スイッチ１９は、レーザ媒質２の出射側に配置され、偏光方向を切り換える機能と、多層膜ミラー３の機能とを有している。すなわち、偏光スイッチ１９は、レーザ媒質２の出射側に配置され、レーザ媒質２と多層膜ミラー４とともに光共振器を構成する。

レーザ媒質２は、ＰｒがドープされたＹＬＦ固体レーザ結晶で構成される。図１２は、ＰｒがドープされたＹＬＦ固体レーザ結晶の蛍光スペクトルを示す図である。図１２において、横軸は波長を表し、縦軸は相対強度を表す。また、図１２の破線は、ＰｒがドープされたＹＬＦ固体レーザ結晶を透過する光がπ偏光である場合の蛍光スペクトルを表し、実線は、ＰｒがドープされたＹＬＦ固体レーザ結晶を透過する光がσ偏光である場合の蛍光スペクトルを表す。

図１２に示すように、σ偏光は、波長６３９ｎｍのとき相対強度が最大となり、π偏光は、波長６０４ｎｍのとき相対強度が最大となる。レーザ媒質２は、偏光方向に応じて異なる波長のレーザ光を発振する。ＧａＮ系半導体レーザ１は、σ偏光のポンプ光７を出射する。レーザ媒質２は、当初σ偏光で発振する構成としているため、波長６３９ｎｍで発振し、光共振器３０からは波長６３９ｎｍのレーザ光５’が出射される。続いて、偏光スイッチ１９は、偏光方向を９０度回転させることにより、反射光をσ偏光からπ偏光に切り換える。これにより、レーザ媒質２は、π偏光での発振となり、波長６０４ｎｍで発振し、光共振器３０からは波長６０４ｎｍのレーザ光５”が出射される。

このように、レーザ媒質２はπ偏光とσ偏光とで蛍光スペクトルが異なる。そのため、偏光スイッチ１９が波長６０４ｎｍのレーザ光５”と波長６３９ｎｍのレーザ光５’とを反射するように構成し、偏光スイッチ１９によって反射光の偏光方向を切り換えることで、発振する波長を選択することができる。

図１１に示す短波長光源をカラーディスプレイ装置に適用した場合、表示画像の色合いを自由に変更することが可能となる。例えば、６０４ｎｍの波長を有する赤色光は視感度が高い。そのため、６０４ｎｍの波長を有する赤色光は、６３９ｎｍの波長を有する赤色光の３分の１の光出力でよい。結果的に、６０４ｎｍの波長を有する赤色光を出射させる場合、赤色光源の駆動電力を３分の１にすることができる。一方、６３９ｎｍの波長を有する赤色光を出射させる場合、色再現範囲が広くなり、赤色を綺麗に表示することができる。このように、６０４ｎｍの波長を有する赤色光と６３９ｎｍの波長を有する赤色光とを切り換えることにより、カラーディスプレイ装置における省エネモードと色優先モードとの切り換えが可能となる。

このように、偏光スイッチ１９は、レーザ媒質２の出射側に配置され、レーザ媒質２と、レーザ媒質２の入射側に配置された多層膜ミラー４とともに光共振器を構成する。そして、レーザ媒質２は、偏光方向に応じて異なる波長のレーザ光を発振する。したがって、光共振器から波長の異なる光を出射させることができる。

（実施の形態４）
ここでは、短波長光源の利用方法について説明する。上述の実施の形態１〜３の短波長光源は複数の可視光を出射することが可能であり、かつ複数の可視光の強度比を可変することができる。しかしながら、出射光５にポンプ光７が混入するため色純度が劣化するという問題がある。例えば、純赤色の光を出力したい場合に、青色のポンプ光が混入してしまい、色純度が劣化するといった問題である。色純度の劣化を防止する方法として、図１３に示すように、短波長光源は、出力側に波長分離ミラー２４を備える。

図１３は、本発明の実施の形態４に係る短波長光源の構成を示す図である。図１３において、図１に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図１３に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、レーザ媒質２、多層膜ミラー３，４、偏光スイッチ６、集光光学系８、波長分離ミラー２４及び反射ミラー２５を備える。

波長分離ミラー２４は、ＧａＮ系半導体レーザ１から出射されたポンプ光７及びレーザ媒質２によって発振された出射光５のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる。本実施の形態４における波長分離ミラー２４は、ポンプ光７を反射させ、出射光５を透過させる。なお、実施の形態４において、波長分離ミラー２４が波長分離素子の一例に相当する。

反射ミラー２５は、波長分離ミラー２４によって反射されたポンプ光７又は出射光５を反射させ、出射する光の方向を揃える。本実施の形態４における反射ミラー２５は、波長分離ミラー２４によって反射されたポンプ光７を反射させる。

このように、波長分離ミラー２４によってポンプ光７と出射光５とが分離されるので、色純度の高い光源が実現できる。

また、図５のように、多層膜ミラー１３が偏光特性を有する場合、ポンプ光７と出射光５とは互いに異なる偏光方向で出射する。このため、２つの波長の光は、偏光方向に応じて光を分離する偏光分離ミラーでも分離できる。

図１４は、本発明の実施の形態４の変形例に係る短波長光源の構成を示す図である。図１４において、図５に示す短波長光源と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図１４に示す短波長光源は、ＧａＮ系半導体レーザ１、レーザ媒質２、多層膜ミラー４、偏光スイッチ６、集光光学系８、多層膜ミラー１３、偏光分離ミラー２６及び反射ミラー２７を備える。

レーザ媒質２は、レーザ媒質のＣ軸と平行な偏光方向を有するπ偏光のポンプ光７を吸収するとともに、π偏光に垂直な偏光方向を有するσ偏光のポンプ光７を透過させる。多層膜ミラー１３は、π偏光のポンプ光７を反射させるとともに、σ偏光のポンプ光７及びπ偏光の出射光５を透過させる。

偏光分離ミラー２６は、π偏光の出射光５及びσ偏光のポンプ光７のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる。本実施の形態４の変形例における偏光分離ミラー２６は、ポンプ光７を反射させ、出射光５を透過させる。なお、実施の形態４の変形例において、偏光分離ミラー２６が偏光分離素子の一例に相当する。

反射ミラー２７は、偏光分離ミラー２６によって反射されたポンプ光７又は出射光５を反射させ、出射する光の方向を揃える。本実施の形態４の変形例における反射ミラー２７は、偏光分離ミラー２６によって反射されたポンプ光７を反射させる。

また、図１４に示す短波長光源の場合、偏光分離ミラー２６によって互いに波長の異なるポンプ光７と出射光５とをほぼ完全に分離できる。このため、偏光スイッチ６によって偏光方向を変えることで出射する光の色を連続的に可変でき、かつ可変範囲を拡大できる。

また、ＲＧＢ光源を用いてカラーディスプレイ装置を構成する場合、図１３に示す短波長光源と図１４に示す短波長光源とでは構成が異なる。図１３に示す短波長光源は、図１５に示すカラーディスプレイ装置に適用される。

図１５は、本発明の実施の形態４に係るカラーディスプレイ装置の構成を示す図である。図１５に示すカラーディスプレイ装置は、短波長光源６１、波長分離プリズム６２、合波プリズム６３、反射ミラー６４、液晶パネル６５及び投射レンズ６７を備える。

短波長光源６１は、実施の形態１〜４のいずれかの短波長光源で構成される。図１５において、短波長光源６１から出射した光は、波長分離プリズム６２によって赤、緑及び青の光に分離される。分離された３つの光のうちの１つは、波長分離プリズム６２を透過して、液晶パネル６５に入射し、残りの２つは、反射ミラー６４によってそれぞれ反射され、液晶パネル６５に入射する。液晶パネル６５を通った３つの光は、合波プリズム６３により画像合成され、投射レンズ６７によってスクリーン６６に投射される。短波長光源６１からは、少なくとも２色の光が同時に出射しているため、３つの液晶パネル６５にそれぞれの光を入射させ、同時に出射した光の像を合成することで、カラー画像を表示する。

なお、実施の形態４において、カラーディスプレイ装置が光学装置の一例に相当し、波長分離プリズム６２、合波プリズム６３、反射ミラー６４、液晶パネル６５及び投射レンズ６７が光学系の一例に相当する。

さらに、短波長光源６１の偏光スイッチによって色強度比を変えることで、表示画面の色に合わせて強度比を変調できる。通常のランプの場合、出力強度、及び赤、緑及び青の各光の強度比を変えることは難しい。これに対して、本実施の形態４の構成では、映像に合わせて短波長光源の出力強度、及び各光の強度比を変えることができるので、光源の消費電力を低減できる。

青色光と赤色光とを出射する短波長光源を本実施の形態４のカラーディスプレイ装置で使用し、白色光を表示する場合、赤色光と青色光との強度比は２：１程度になる。量子効率を考慮すると赤色光と青色光とを２：１の強度比で出力するためには、レーザ媒質における青色光の吸収率は略７５％が望ましい。青色光の略７５％が吸収されて赤色光に変換されると、赤色光と青色光との出力パワー比は２：１となる。この出力パワー比を中心に赤色光と青色光との出力強度比を調整することができる。

このように、レーザ媒質の吸収率は、波長に応じて異なっており、偏光方向を切り換えることによってレーザ光の吸収量が変化するので、４４０〜４６０ｎｍの波長を有する青色レーザ光と、６００〜６５０ｎｍの波長を有する赤色レーザ光との強度比を変調することができる。

なお、短波長光源が２波長光源の場合、短波長光源からの３原色のうちの２色の光と、別の光源からの残りの色の光とを合波する必要がある。つまり、短波長光源６１が青色光及び赤色光を出射する場合、カラーディスプレイ装置は、短波長光源６１の他に、緑色光を出射する光源を備える必要がある。

さらに、図１４に示す短波長光源は、図１６に示すカラーディスプレイ装置に適用される。図１６に示すカラーディスプレイ装置では、単板式の液晶パネルによって赤、緑及び青の光を時間的にずらして出射し、これらの光を重ね合わせてカラー画像を表示する。

図１６は、本発明の実施の形態４の変形例に係るカラーディスプレイ装置の構成を示す図である。図１６において、図１５に示すカラーディスプレイ装置と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図１６に示すカラーディスプレイ装置は、短波長光源６１、液晶パネル６５及び投射レンズ６７を備える。

なお、実施の形態４の変形例において、液晶パネル６５及び投射レンズ６７が光学系の一例に相当する。

図１６においては、短波長光源６１から出射した複数の光は、液晶パネル６５を通った後、投射レンズ６７によってスクリーン６６に投影される。赤、緑及び青の光と映像とを時間的に切り替えて投影することでフルカラー映像が表示できる。この場合、偏光スイッチによって、２波長の光を時間的に切り替えることで、カラー画像を表示することが可能となる。

なお、短波長光源が２波長光源の場合、短波長光源からの３原色のうちの２色の光と、別の光源からの残りの色の光とを合波する必要がある。つまり、短波長光源６１が青色光及び赤色光を出射する場合、カラーディスプレイ装置は、短波長光源６１の他に、緑色光を出射する光源を備える必要がある。

本実施の形態の構成では、ポンプ光を有効に利用することで、青色光源を別に設ける必要が無くなり、低コスト化に有利である。さらに、多波長光源であるため、光学構成が簡素化できる。また、ポンプ光である青色光を有効に利用することで全体の消費電力を低減できる。

このように、短波長光源６１から、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つが出射され、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光がスクリーン又は照射体に照射される。したがって、短波長光源６１から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。

（実施の形態５）
実施の形態４では、液晶パネル６５にレーザ光を照射する構成を示したが、同様の構成で液晶バックライトの面状光源としても利用できる。短波長光源を面状光源として利用する場合、光が導波する導光板にレーザ光を入射させ、導光板の表面から光を散乱させる。導光板を用いる場合、導光板におけるレーザ光の偏光を維持することで、液晶パネルでの利用効率を上げることができる。

図１７は、本発明の実施の形態５に係るカラーディスプレイ装置の構成を示す図である。図１７に示すカラーディスプレイ装置は、液晶パネル７１と、液晶パネル７１を背面側から照明するバックライト照明装置７２とを備えて構成されている。そして、バックライト照明装置７２は、短波長光源７３を含んで構成され、短波長光源７３は少なくとも赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ出射する。短波長光源７３は、上記で説明した実施の形態１〜４で示した短波長光源を用いて構成される。

液晶パネル７１は、バックライト照明装置７２から出射される赤色、緑色及び青色の各レーザ光を利用して画像表示を行う偏光板７４及び液晶板７５で構成される。図１７に示す本実施の形態５のバックライト照明装置７２は、短波長光源７３と、短波長光源７３からの赤色、緑色及び青色のレーザ光をまとめて導光部７６を介して導光板７７に導く光ファイバー７８と、導光部７６から導入した赤色、緑色及び青色のレーザ光で均一に満たされた主面（図示せず）からレーザ光を出射する導光板７７とから構成されている。

なお、図１３に示す異なる波長の光を分離する波長分離ミラー２４、又は図１４に示す異なる偏光方向の光を分離する偏光分離ミラー２６を導光板７７の入射部又は内部に設置してもよい。これにより、光を分離し、それぞれの光を必要な液晶パネル７１に導くことで、光の利用効率を向上させることができる。

また、短波長光源が２波長光源の場合、短波長光源からの３原色のうちの２色の光と、別の光源からの残りの色の光とを合波する必要がある。つまり、短波長光源７３が青色光及び赤色光を出射する場合、カラーディスプレイ装置は、短波長光源７３の他に、緑色光を出射する光源を備える必要がある。

このように、短波長光源７３から、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つが出射され、導光板７７によって、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光が、波長及び偏光方向の少なくともいずれかに応じて分離される。したがって、短波長光源７３から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。

本実施の形態１〜４の短波長光源を用いれば、映像に合わせて出力強度及び各波長の光の強度比を可変できる。単一光源で２つ以上の波長の光を同時に出射することが可能になるので、光学系の簡素化が図れる。さらに、出射光が不要な場合にポンプ光が利用できるため、光源の消費電力を低減できる。

なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。

本発明の一局面に係る短波長光源は、単一偏光であり、第１の波長を有する第１のレーザ光を出射するレーザ光源と、前記第１のレーザ光の入射により励起され、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光を発振する固体レーザ媒質を含む光共振器と、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の少なくとも一方の偏光方向を切り換えることで、前記光共振器から出射されるレーザ光の波長、又は前記光共振器から出射される複数のレーザ光の強度比を変化させる偏光スイッチとを備える。

この構成によれば、レーザ光源は、単一偏光であり、第１の波長を有する第１のレーザ光を出射し、光共振器は、第１のレーザ光の入射により励起され、第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光を発振する固体レーザ媒質を含む。そして、偏光スイッチは、第１のレーザ光及び第２のレーザ光の少なくとも一方の偏光方向を切り換えることで、光共振器から出射されるレーザ光の波長、又は光共振器から出射される複数のレーザ光の強度比を変化させる。

したがって、光共振器から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。また、１つの光源から波長の異なる複数のレーザ光を同時に出射することができるので、光学系の構成を簡素化することができる。

また、上記の短波長光源において、前記光共振器は、前記固体レーザ媒質を挟む位置にそれぞれ配置された１対のミラーをさらに含み、前記偏光スイッチは、前記レーザ光源と、前記１対のミラーのうちの前記固体レーザ媒質の入射側のミラーとの間に配置されることが好ましい。

この構成によれば、偏光スイッチが、レーザ光源と、１対のミラーのうちの固体レーザ媒質の入射側のミラーとの間に配置されているので、固体レーザ媒質に入射する前に、レーザ光の偏光方向を変化させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記１対のミラーは、前記第２のレーザ光に対しては高反射特性を有し、前記第１のレーザ光に対しては高透過特性を有することが好ましい。この構成によれば、１対のミラーにより、光共振器内部で第２のレーザ光を共振させるとともに、第１のレーザ光をそのまま出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ媒質における前記第１のレーザ光の吸収率は略７５％であることが好ましい。この構成によれば、固体レーザ媒質における第１のレーザ光の吸収率は略７５％であるので、第１のレーザ光の略７５％が吸収されて第２のレーザ光に変換された場合、第２のレーザ光と第１のレーザ光との強度比を略２：１にすることができる。

また、上記の短波長光源において、前記１対のミラーの少なくとも一方は、偏光依存性を有していることが好ましい。この構成によれば、１対のミラーの少なくとも一方が偏光依存性を有しているので、固体レーザ媒質における第１のレーザ光の吸収効率及び１対のミラーにおける第１のレーザ光の透過効率を向上させ、複数のレーザ光を有効利用することができる。

また、上記の短波長光源において、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光は可視光であることが好ましい。この構成によれば、複数の可視光を切り換えて出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記偏光スイッチは、前記第１のレーザ光の光軸に平行な回転軸に取り付けられた波長板を含み、前記波長板の偏光軸は、前記回転軸に対して垂直であることが好ましい。

この構成によれば、第１のレーザ光の光軸に平行な回転軸に取り付けられた波長板を回転させることにより、第１のレーザ光又は第２のレーザ光の偏光方向を変化させ、第１のレーザ光と第２のレーザ光とを切り換えて出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ媒質は、複屈折率を有する固体レーザ結晶を含み、前記固体レーザ結晶は、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加されていることが好ましい。

この構成によれば、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加された固体レーザ結晶が用いられるので、固体レーザ結晶において所望の波長のレーザ光を生成することができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ媒質は、ダブルクラッドファイバーを含み、前記ダブルクラッドファイバーのコア部は、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加されている固体レーザ結晶を含むことが好ましい。

この構成によれば、コア部に、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加されている固体レーザ結晶を含むダブルクラッドファイバーが用いられるので、ダブルクラッドファイバーにおいて所望の波長のレーザ光を生成することができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ結晶は、Ｈｏが共添加されていることが好ましい。この構成によれば、Ｈｏが共添加されることで、固体レーザ媒質の吸収係数が増大し、励起効率が向上するので、複数のレーザ光を有効利用することができる。

また、上記の短波長光源において、前記第１のレーザ光又は前記第２のレーザ光を高調波に変換する波長変換素子をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、波長変換素子によって、第１のレーザ光又は第２のレーザ光が高調波に変換されるので、高調波に変換された第１のレーザ光と、高調波に変換された第２のレーザ光とを切り換えて出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記光共振器の光出射側に配置され、前記第１のレーザ光を反射させる反射体をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、光共振器の光出射側に配置され、第１のレーザ光を反射させる反射体によって、レーザ光源の発振波長を固定することができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ媒質は、Ｐｒイオンが添加されたＬｉＹＦ_４結晶又はＬｉＬｕＦ_４結晶を含むことが好ましい。この構成によれば、Ｐｒイオンが添加されたＬｉＹＦ_４結晶又はＬｉＬｕＦ_４結晶は、固体レーザ結晶のＣ軸と平行な偏光方向を有するπ偏光で励起した場合に吸収効率が大きくなるので、励起光の偏光方向に応じて励起効率を制御することができる。

また、上記の短波長光源において、前記第１の波長は、４４０〜４６０ｎｍであり、前記第２の波長は、６００〜６５０ｎｍであり、前記固体レーザ媒質の吸収率は、波長に応じて異なり、前記偏光スイッチは、前記光共振器から出力する前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光との強度比を変調することが好ましい。

この構成によれば、固体レーザ媒質の吸収率は、波長に応じて異なっており、偏光方向を切り換えることによってレーザ光の吸収量が変化するので、４４０〜４６０ｎｍの第１の波長を有する青色レーザ光と、６００〜６５０ｎｍの第２の波長を有する赤色レーザ光との強度比を変調することができる。

また、上記の短波長光源において、前記第１の波長は、４４０〜４６０ｎｍであり、前記第２の波長は、５１５〜５５５ｎｍであることが好ましい。この構成によれば、４４０〜４６０ｎｍの第１の波長を有する青色レーザ光と、５１５〜５５５ｎｍの第２の波長を有する緑色レーザ光とを切り換えて出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ媒質は、第１の偏光方向の前記第１のレーザ光を吸収するとともに、前記第１の偏光方向に垂直な第２の偏光方向の前記第１のレーザ光を透過させ、前記１対のミラーのうちの出射側のミラーは、前記第１の偏光方向の前記第１のレーザ光を反射させるとともに、前記第２の偏光方向の前記第１のレーザ光及び前記第１の偏光方向の前記第２のレーザ光を透過させ、前記第１の偏光方向の前記第２のレーザ光及び前記第２の偏光方向の前記第１のレーザ光のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる偏光分離素子をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、固体レーザ媒質は、第１の偏光方向の第１のレーザ光を吸収するとともに、第１の偏光方向に垂直な第２の偏光方向の第１のレーザ光を透過させる。また、１対のミラーのうちの出射側のミラーは、第１の偏光方向の第１のレーザ光を反射させるとともに、第２の偏光方向の第１のレーザ光及び第１の偏光方向の第２のレーザ光を透過させる。そして、偏光分離素子は、第１の偏光方向の第２のレーザ光及び第２の偏光方向の第１のレーザ光のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる。したがって、偏光方向に応じて第１のレーザ光と第２のレーザ光とを分離して出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる波長分離素子をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、波長分離素子は、第１のレーザ光及び第２のレーザ光のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる。したがって、波長に応じて第１のレーザ光と第２のレーザ光とを分離して出射させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記固体レーザ媒質は、組成の異なる複数の固体レーザ媒質を含むことが好ましい。この構成によれば、組成の異なる複数の固体レーザ媒質によって複数の波長のレーザ光を出射させることが可能となり、色再現範囲を向上させることができる。

また、上記の短波長光源において、前記光共振器は、前記固体レーザ媒質の入射側に配置されたミラーをさらに含み、前記偏光スイッチは、前記固体レーザ媒質の出射側に配置され、前記固体レーザ媒質と前記ミラーとともに光共振器を構成することが好ましい。

この構成によれば、偏光スイッチは、固体レーザ媒質の出射側に配置され、固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質の入射側に配置されたミラーとともに光共振器を構成する。したがって、光共振器から波長の異なる光を出射させることができる。

本発明の他の局面に係る光学装置は、上記の短波長光源と、前記短波長光源から出射されたレーザ光をスクリーン又は照射体に照射する光学系とを備え、前記短波長光源は、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つを出射し、前記偏光スイッチを切り換えることで表示色を変化させる。

この構成によれば、短波長光源から、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つが出射され、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光がスクリーン又は照射体に照射される。したがって、短波長光源から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。

本発明の他の局面に係る光学装置は、上記の短波長光源と、前記短波長光源から出射されたレーザ光を導波する偏光特性を有する導光板とを備え、前記短波長光源は、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つを出射し、前記導光板は、前記赤色レーザ光、前記緑色レーザ光及び前記青色レーザ光を、波長及び偏光方向の少なくともいずれかに応じて分離する。

この構成によれば、短波長光源から、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つが出射され、導光板によって、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光が、波長及び偏光方向の少なくともいずれかに応じて分離される。したがって、短波長光源から出射される複数のレーザ光を切り換えることができ、複数のレーザ光を有効利用することができる。

本発明に係る短波長光源及び光学装置は、複数のレーザ光を有効利用することができ、固体レーザ媒質を用いた短波長光源、及び当該短波長光源を利用した光学装置に有用である。

Claims (21)

1. 単一偏光であり、第１の波長を有する第１のレーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光の入射により励起され、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザ光を発振する固体レーザ媒質を含む光共振器と、
   前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の少なくとも一方の偏光方向を切り換えることで、前記光共振器から出射されるレーザ光の波長、又は前記光共振器から出射される複数のレーザ光の強度比を変化させる偏光スイッチとを備えることを特徴とする短波長光源。
2. 前記光共振器は、前記固体レーザ媒質を挟む位置にそれぞれ配置された１対のミラーをさらに含み、
   前記偏光スイッチは、前記レーザ光源と、前記１対のミラーのうちの前記固体レーザ媒質の入射側のミラーとの間に配置されることを特徴とする請求項１記載の短波長光源。
3. 前記１対のミラーは、前記第２のレーザ光に対しては高反射特性を有し、前記第１のレーザ光に対しては高透過特性を有することを特徴とする請求項２記載の短波長光源。
4. 前記レーザ媒質における前記第１のレーザ光の吸収率は略７５％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の短波長光源。
5. 前記１対のミラーの少なくとも一方は、偏光依存性を有していることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の短波長光源。
6. 前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光は可視光であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の短波長光源。
7. 前記偏光スイッチは、前記第１のレーザ光の光軸に平行な回転軸に取り付けられた波長板を含み、
   前記波長板の偏光軸は、前記回転軸に対して垂直であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の短波長光源。
8. 前記固体レーザ媒質は、複屈折率を有する固体レーザ結晶を含み、
   前記固体レーザ結晶は、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の短波長光源。
9. 前記固体レーザ媒質は、ダブルクラッドファイバーを含み、
   前記ダブルクラッドファイバーのコア部は、Ｐｒ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｔｍ^３＋、Ｔｂ^３＋及びＥｕ^２＋のうちの少なくとも１つが添加されている固体レーザ結晶を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の短波長光源。
10. 前記固体レーザ結晶は、Ｈｏが共添加されていることを特徴とする請求項８又は９記載の短波長光源。
11. 前記第１のレーザ光又は前記第２のレーザ光を高調波に変換する波長変換素子をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の短波長光源。
12. 前記光共振器の光出射側に配置され、前記第１のレーザ光を反射させる反射体をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の短波長光源。
13. 前記固体レーザ媒質は、Ｐｒイオンが添加されたＬｉＹＦ_４結晶又はＬｉＬｕＦ_４結晶を含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の短波長光源。
14. 前記第１の波長は、４４０〜４６０ｎｍであり、
    前記第２の波長は、６００〜６５０ｎｍであり、
    前記固体レーザ媒質の吸収率は、波長に応じて異なり、
    前記偏光スイッチは、前記光共振器から出力する前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光との強度比を変調することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の短波長光源。
15. 前記第１の波長は、４４０〜４６０ｎｍであり、
    前記第２の波長は、５１５〜５５５ｎｍであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の短波長光源。
16. 前記固体レーザ媒質は、第１の偏光方向の前記第１のレーザ光を吸収するとともに、前記第１の偏光方向に垂直な第２の偏光方向の前記第１のレーザ光を透過させ、
    前記１対のミラーのうちの出射側のミラーは、前記第１の偏光方向の前記第１のレーザ光を反射させるとともに、前記第２の偏光方向の前記第１のレーザ光及び前記第１の偏光方向の前記第２のレーザ光を透過させ、
    前記第１の偏光方向の前記第２のレーザ光及び前記第２の偏光方向の前記第１のレーザ光のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる偏光分離素子をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の短波長光源。
17. 前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光のうちのいずれか一方を透過させるとともに、他方を反射させる波長分離素子をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の短波長光源。
18. 前記固体レーザ媒質は、組成の異なる複数の固体レーザ媒質を含むことを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の短波長光源。
19. 前記光共振器は、前記固体レーザ媒質の入射側に配置されたミラーをさらに含み、
    前記偏光スイッチは、前記固体レーザ媒質の出射側に配置され、前記固体レーザ媒質と前記ミラーとともに光共振器を構成することを特徴とする請求項１記載の短波長光源。
20. 請求項１〜１９のいずれかに記載の短波長光源と、
    前記短波長光源から出射されたレーザ光をスクリーン又は照射体に照射する光学系とを備え、
    前記短波長光源は、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つを出射し、前記偏光スイッチを切り換えることで表示色を変化させることを特徴とする光学装置。
21. 請求項１〜１９のいずれかに記載の短波長光源と、
    前記短波長光源から出射されたレーザ光を導波する偏光特性を有する導光板とを備え、
    前記短波長光源は、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光のうちの少なくとも２つを出射し、
    前記導光板は、前記赤色レーザ光、前記緑色レーザ光及び前記青色レーザ光を、波長及び偏光方向の少なくともいずれかに応じて分離することを特徴とする光学装置。

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